Ursachen für Teilentladungen in Hochspannungsschaltanlagen

Teilentladung ist eines der wichtigsten Frühwarnzeichen für eine Verschlechterung der Isolation in Hochspannungsschaltanlagen. Obwohl eine Teilentladung die Isolierung zwischen den Leitern nicht vollständig überbrückt, kann eine wiederholte Entladungsaktivität das Isolationssystem allmählich beschädigen und das Risiko eines Isolationsversagens, eines Überschlags und einer unerwarteten Geräteabschaltung erhöhen.

Das Verständnis der Ursachen von Teilentladungen hilft Elektroingenieuren, Defekte frühzeitig zu erkennen und die Zuverlässigkeit von Schaltanlagen über deren gesamte Lebensdauer zu verbessern.

Was ist Teilentladung?

Teilentladung ist eine örtliche elektrische Entladung, die nur in einem Teil eines Isolationssystems auftritt. Es kann sich in einem gasgefüllten Hohlraum, entlang einer Isolationsoberfläche, um eine scharfe Leiterkante oder in der Nähe eines Defekts in einem festen oder zusammengesetzten Dielektrikum entwickeln.

Das Phänomen ist meist mit einer lokalen Konzentration elektrischer Belastung verbunden. Wenn das lokale elektrische Feld die Widerstandskraft einer Schwachstelle übersteigt, kommt es zu einer Kurzentladung. Die Entladung kann kurz und gering sein, aber wiederholte Aktivität kann die umgebende Isolierung zunehmend schwächen.

IEC 60270 definiert ladungsbasierte Methoden zur Messung von Teilentladungen in elektrischen Geräten, Komponenten und Systemen, die mit Wechsel- oder Gleichspannung getestet werden. Die Norm befasst sich auch mit Messschaltungen, Kalibrierung, digitaler Messung und der Trennung von Teilentladungssignalen von externen Störungen.IEC 60270:2025

Wie Teilentladung die Isolierung schädigt

1. Chemische Schäden durch geladene Partikel

Bei einer Teilentladung bewegen sich Elektronen und Ionen durch den schwachen Bereich der Isolierung. Diese hochenergetischen geladenen Teilchen kollidieren mit Isolationsmolekülen und können chemische Bindungen aufbrechen.

Wiederholte Bombardierungen können Folgendes verursachen:

1、Zersetzung von Polymerketten

2、Oberflächenerosion

3、Bildung leitfähiger karbonisierter Pfade

4、Chemischer Abbau von Epoxidharz und anderen Isoliermaterialien

5、Eine allmähliche Verringerung der Spannungsfestigkeit

Bei einer festen Isolierung kann dieser Prozess einen inneren Hohlraum vergrößern oder einen Baumbildungskanal erzeugen. Sobald der Defekt ausreichend groß ist, kann es sein, dass die Isolierung der normalen Betriebsspannung oder einer vorübergehenden Überspannung nicht mehr standhält.

2. Thermische und oxidative Schäden

Auch Teilentladungen erzeugen örtlich begrenzte Wärme. Obwohl die durchschnittliche Energie einer einzelnen Entladung niedrig sein kann, können wiederholte, auf denselben Bereich konzentrierte Impulse die Temperatur der umgebenden Isolierung erhöhen.

Die daraus resultierende thermische Belastung kann zu Folgendem führen:

1、Lokale Überhitzung

2、Oxidatives Cracken

3、Schmelzen oder Karbonisieren von Polymermaterialien

4、Verlust der mechanischen Festigkeit

5、Ausdehnung interner Risse und Hohlräume

Thermische Schäden und chemische Schäden verstärken sich oft gegenseitig. Je rauer oder leitfähiger die Isolationsoberfläche wird, desto weniger gleichmäßig wird das lokale elektrische Feld, was die weitere Entladungsaktivität beschleunigen kann.

Hochspannungsschaltanlagen und ihr Isolationssystem

Hochspannungsschaltanlagen sind eine komplexe Baugruppe, die Leiter, Schaltgeräte, Sammelschienen, Isolierkomponenten, Erdungsgehäuse und Steuerungssysteme kombiniert.

Typische Materialien können je nach Ausführung sein:

1、Epoxidharz

2、Silikon oder andere technische Kunststoffe

3、Luft oder Isoliergas

4、Schwefelhexafluorid in geeigneten gasisolierten Geräten

5、Keramik- oder Verbundisolierung

6、Kupfer, Aluminium und andere leitfähige Materialien

Durch die Kombination verschiedener Materialien und Geometrien entstehen mehrere Stellen, an denen Teilentladungen auftreten können. Fertigungsqualität, Montagegenauigkeit, Betriebsspannung, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Verschmutzung und Alterung der Isolierung können das TE-Verhalten beeinflussen.

Bei Schaltanlagenanwendungen hängen die relevanten Anforderungen von der Gerätekonstruktion und der Spannungsklasse ab. Die IEC 62271-Reihe deckt Hochspannungsschaltanlagen und -steuergeräte ab, einschließlich Geräten, die feste Isolierung und Isoliergase verwenden.IEC 62271-Serie

Hauptursachen für Teilentladungen in Hochspannungsschaltanlagen

1. Mängel im Herstellungsprozess der Isolierung

Herstellungsfehler gehören zu den häufigsten Ursachen für Teilentladungen in feststoffisolierten Schaltanlagen.

Interne Hohlräume und Luftblasen

Beim Gießen, Formen oder Einkapseln von Epoxidharz können Luftblasen in der Isolierung verbleiben. Diese Hohlräume haben eine geringere Spannungsfestigkeit als die umgebende Feststoffisolierung.

Wenn Spannung angelegt wird, wird das elektrische Feld im Hohlraum größer als das durchschnittliche Feld im Feststoff. Dies hängt mit dem Unterschied zwischen der Dielektrizitätskonstante des Gases im Hohlraum und der umgebenden Isolierung zusammen.

Dadurch kann es passieren, dass das Gas im Hohlraum vor der Hauptisolierung zusammenbricht. Jede Entladung kann den Hohlraum vergrößern, seine Oberfläche beschädigen und schließlich die Gesamtisolationsfestigkeit verringern.

Fremdpartikel und Materialverunreinigungen

Metallpartikel, Staub, Feuchtigkeit und andere bei der Produktion eingebrachte Verunreinigungen können zu lokalen Schwachstellen führen. Leitfähige Verunreinigungen können das elektrische Feld verzerren oder einen Entladungspfad zwischen verschiedenen Bereichen der Isolierung bilden.

Typische Ursachen sind:

1、Schlecht kontrollierte Gießbedingungen

2、Unzureichende Reinigung vor dem Zusammenbau

3、Unsachgemäße Lagerung von Isolierkomponenten

4、Unzureichende Aushärtung des Epoxidharzes

5、Kontamination während des Transports oder der Installation

Ein einzelner interner Defekt führt möglicherweise nicht zu einem sofortigen Ausfall, kann jedoch mit zunehmendem Alter des Geräts oder bei Betrieb unter erhöhter elektrischer Belastung aktiver werden.

2. Ungleichmäßige elektrische Feldverteilung

Für eine zuverlässige Isolationsleistung ist ein gleichmäßiges elektrisches Feld unerlässlich. Jede scharfe Spitze, jede unregelmäßige Oberfläche oder jedes schwebende leitfähige Objekt kann das lokale elektrische Feld verstärken und eine Teilentladung auslösen.

Grate und scharfe Kanten an Leitern

Sammelschienengrate, scharfe Ecken, unbehandelte Leiterkanten und schlecht geformte Elektroden können zu einer starken Konzentration des elektrischen Feldes führen.

Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei:

1、Sammelschienenverbindungen

2、Kabelanschlüsse

3、Kontakte verschieben

4、Schraubverbindungen

5、Abschirmungskomponenten

6、Leitfähige Einsätze in der geformten Isolierung

Selbst wenn die durchschnittliche Betriebsspannung innerhalb der Gerätenennwerte liegt, kann das lokale Feld in der Nähe einer scharfen Kante den Entladungsbeginnpegel überschreiten.

Lose oder schwebende Metallpartikel

Metallpartikel im Inneren des Schaltanlagengehäuses können sich unter dem Einfluss des elektrischen Feldes elektrisch aufladen oder bewegen. Ihre Position und ihr Potenzial können sich während des Betriebs ändern, was zu instabilen Feldbedingungen führen kann.

Solche Partikel können Folgendes verursachen:

1、Lokale Feldverbesserung

2、Oberflächenentladung

3、Intermittierende Entladeimpulse

4、Tracking auf nahegelegener Isolierung

5、Instabile PD-Muster

Dies ist einer der Gründe, warum Sauberkeit und strenge Montageverfahren bei der Herstellung und Wartung von Schaltanlagen wichtig sind.

Kontaminierte oder raue Isolieroberflächen

Staub, Feuchtigkeit, Öl und andere Verunreinigungen können die effektive Kriechstrecke auf einer Isolieroberfläche verringern. Eine raue oder beschädigte Oberfläche erzeugt auch kleine Feldkonzentrationen, bei denen eine Oberflächenentladung beginnen kann.

Oberflächenverunreinigungen sind besonders wichtig bei Geräten, die folgenden Einflüssen ausgesetzt sind:

1、Hohe Luftfeuchtigkeit

2、Leitfähiger Staub

3、Salzspray

4、Industrielle Umweltverschmutzung

5、Kondensation

6、Schlechte Belüftung

Eine Reinigung allein löst das Problem möglicherweise nicht dauerhaft, wenn die Isolieroberfläche bereits Spuren, Risse oder Erosion aufweist.

Mängel im geerdeten Gehäuse

Das Metallgehäuse sorgt normalerweise für Abschirmung und ein kontrolliertes Bezugspotential. Allerdings können raue Schweißnähte, Poren, Schlackeneinschlüsse und andere Herstellungsfehler zu unregelmäßigen elektrischen Feldbedingungen in der Nähe des geerdeten Gehäuses führen.

Diese Defekte können mit nahegelegenen Isolierungen oder leitfähigen Teilen interagieren und das Risiko einer Entladung erhöhen. Schweißqualität, Gehäusegeometrie, Erdungskontinuität und interne Abstände sollten daher während der Herstellung und Inspektion überprüft werden.

3. Ungleichmäßige dielektrische Medien

In modernen Schaltanlagen kommen häufig Verbundisolationssysteme zum Einsatz, bei denen mehrere Materialien zusammenarbeiten. Beispielsweise kann Epoxidharz mit technischen Kunststoffen, Isoliergas, leitfähigen Einsätzen und Luftspalten kombiniert werden.

Jedes Material hat unterschiedliche elektrische und thermische Eigenschaften. Wenn die Schnittstellen schlecht konstruiert oder hergestellt sind, ist das dielektrische Feld möglicherweise nicht gleichmäßig verteilt.

Mögliche Probleme sind:

1、Schlechte Verbindung zwischen verschiedenen Isoliermaterialien

2、Ungleichmäßige Dielektrizitätskonstanten

3、Lücken an Materialschnittstellen

4、Interne Delaminierung

5、Feuchtigkeit zwischen den Schichten eingeschlossen

6、Hohlräume um eingebettete Leiter

Interne Blasen und Verunreinigungen können die Ungleichmäßigkeit des dielektrischen Mediums weiter verstärken. Unter Betriebsspannung können diese Bereiche einer stärkeren elektrischen Belastung ausgesetzt sein als die umgebende Isolierung und zum Ausgangspunkt einer Teilentladung werden.

Andere Faktoren, die die Teilentladung beeinflussen

Teilentladungen werden nicht nur durch Herstellungsfehler verursacht. Verschiedene Betriebs- und Umgebungsbedingungen können die Entladungsaktivität erhöhen.

Betriebsspannung

Mit zunehmender angelegter Spannung nimmt auch das elektrische Feld in schwachen Regionen zu. Ein Defekt, der bei normaler Spannung inaktiv bleibt, kann während eines Überspannungsereignisses, eines Spannungstests oder eines vorübergehenden Anstiegs der Systemspannung eine messbare Entladung hervorrufen.

Temperatur

Die Temperatur beeinflusst die Isolationseigenschaften, den Gasdruck, die Materialausdehnung und den Zustand der Schnittstellen. Wärmeausdehnungen können bestehende Lücken vergrößern oder die verklebten Dämmkomponenten zusätzlich belasten.

Feuchtigkeit und Kondensation

Feuchtigkeit kann den Oberflächenisolationswiderstand verringern und die Oberflächenentladung fördern. Kondensation ist besonders gefährlich, wenn warme, feuchte Luft in einen kühleren Schaltanlagenraum gelangt.

Alterung der Isolierung

Langfristige elektrische, thermische und mechanische Belastungen können zur Alterung der Isolierung führen. Alterung kann zu Rissen, Verfärbungen, Erosion, Delaminierung und erhöhter Feuchtigkeitsaufnahme führen, was die Wahrscheinlichkeit einer Teilentladung erhöhen kann.

Mechanische Belastung und Vibration

Durch lockere Verbindungen, Vibrationen und wiederholte Wärmeausdehnung können kleine Lücken zwischen den Isolationskomponenten entstehen. Diese Lücken können zu Entladungsorten werden, insbesondere in der Nähe von Sammelschienen, Kabelanschlüssen und eingebetteten Leitern.

Teilentladung in Schaltanlagen erkennen

Mithilfe von TE-Tests wird die Entladungsaktivität erkannt, bevor sie sich zu einem schwerwiegenden Isolationsfehler entwickelt. Abhängig von der Ausrüstung und dem Testziel können Ingenieure die scheinbare Ladung, die Entladungsgröße, phasenaufgelöste Muster, Impulswiederholungen und zeitliche Änderungen bewerten.

Ein zuverlässiger Test sollte Folgendes umfassen:

1、Ein geeignetes Messgerät und eine geeignete Sensoranordnung

2、Richtige Kalibrierung des Messsystems

3、Wirksame Kontrolle externer Störungen

4、Korrekte Erdung und Abschirmung

5、Stabile Prüfspannung und Umgebungsbedingungen

6、Vergleich mit technischen Grenzwerten und früheren Testaufzeichnungen

Weshine Electric ist ein professioneller Hersteller, der sich der Forschung, Entwicklung und Produktion von Hochspannungsprüf- und Messgeräten widmet. Ausgestattet mit standardisierten Produktionswerkstätten und unabhängigen Kalibrierungslabors hält sich das Werk strikt an IEC-Standards und ISO-Qualitätsmanagementsysteme, um sicherzustellen, dass jedes Instrument eine stabile, wiederholbare und störungsresistente Testleistung für globale Anwendungen in der Energieindustrie liefert.

Der digitale Teilentladungstester GDJF-2007 wurde von Weshine Electric unabhängig entwickelt und werkseitig kalibriert. Es kann zur digitalen Teilentladungsmessung und -analyse in Hochspannungsgeräten verwendet werden.  In praktischen Anwendungen kann das Instrument die Bewertung der TE-Größe, der Entladungsmuster und des Isolationszustands unterstützen. Die genaue Prüfkonfiguration und die Abnahmekriterien sollten entsprechend dem Schaltanlagendesign, den geltenden Normen und der technischen Dokumentation des Herstellers ausgewählt werden.

Häufig gestellte Fragen

Was ist die häufigste Ursache für Teilentladungen in Schaltanlagen?

Zu den häufigsten Ursachen zählen innere Hohlräume, Luftblasen, Verunreinigungen, scharfe Leiterkanten, Oberflächenverunreinigungen, schlechte Isolationsschnittstellen und eine ungleichmäßige elektrische Feldverteilung.

Ist eine Teilentladung direkt erkennbar?

Normalerweise ist eine Teilentladung im Normalbetrieb nicht erkennbar. Die Erkennung erfolgt üblicherweise durch elektrische, Ultraschall- oder andere spezielle Messmethoden.

Bedeutet Teilentladung immer einen sofortigen Geräteausfall?

Nein. Eine Teilentladung kann sich allmählich entwickeln. Eine anhaltende oder zunehmende TE-Aktivität weist jedoch auf eine Verschlechterung der Isolierung hin und erfordert eine professionelle Beurteilung.

Wie kommt es zu Teilentladungen durch scharfe Sammelschienenkanten?

Scharfe Kanten konzentrieren das elektrische Feld. Das lokale Feld kann viel stärker werden als das durchschnittliche Feld, sodass die Entladung in Randnähe beginnen kann.

Wie kann Teilentladung in Schaltanlagen reduziert werden?

Zu den wirksamen Maßnahmen gehören die Verbesserung der Isolierungsherstellung, das Entfernen von Graten, die Kontrolle der Sauberkeit, die Vermeidung von Feuchtigkeit, die Optimierung der Abstufung des elektrischen Feldes, die Verbesserung der Gehäuseerdung und die Durchführung regelmäßiger TE-Tests.

Abschluss

Teilentladungen in Hochspannungsschaltanlagen sind in der Regel das Ergebnis einer Kombination aus Isolationsfehlern, elektrischer Feldkonzentration, ungleichmäßigen dielektrischen Materialien, Umgebungsbedingungen und langfristiger Alterung.

Interne Hohlräume, Verunreinigungen, scharfe Sammelschienenkanten, schwebende Metallpartikel, kontaminierte Oberflächen und schlechte Isolationsschnittstellen können lokale elektrische Spannungen verursachen. Sobald die Entladung beginnt, können chemische Erosion und thermische Schäden die Isolierung allmählich schwächen.

Regelmäßige Teilentladungstests liefern wertvolle Informationen über den Isolationszustand und helfen Wartungsteams, sich entwickelnde Probleme zu erkennen, bevor ein schwerwiegender Fehler auftritt. Für eine genaue Diagnose sollten die Tests von qualifizierten Fachleuten mit ordnungsgemäß kalibrierten Geräten und Verfahren durchgeführt werden, die den geltenden Standards entsprechen.

Unterstützt durch firmeneigene Forschung und Entwicklung, standardisierte Fabrikproduktion und strenge Qualitätskalibrierung bietet Weshine Electric weiterhin weltweit zuverlässige Hochspannungsprüfgeräte und professionelle technische Lösungen für die Wartung von Umspannwerken, die Inspektion von Stromnetzen und die Diagnose von industriellen Stromversorgungssystemen. Für technische Datenblätter, maßgeschneiderte Testlösungen und Unterstützung im Werksgroßhandel können Sie sich gerne an unser Team wenden.