Teilentladung (abgekürzt TE) oder Vorentladung ist ein Begriff aus der Hochspannungstechnik, bei dem es in erster Linie um Form und Eigenschaften von Isolierstoffen geht. Treten in Hochspannungsisolierungen oder entlang von Luftstrecken stark inhomogene Verläufe des Feldes auf, so 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 treten vor allem bei Beanspruchung der Isolierung mit Wechselspannung auf.
Entstehung mini|Schematische Darstellung der Entstehung einer Teilentladung in einer Spitze-Platte-Elektrodenanordnung hervorgerufen durch einfallende Strahlung Teilentladungen entstehen in Medien mit inhomogenen Feldverläufen durch die Elektronenemission freier Ladungsträger, hervorgerufen durch äußere Einflüsse.
Das Bild zeigt schematisch die Entstehung einer Teilentladung in einer Spitze-Platte-Elektrodenanordnung, verursacht durch einfallende Strahlung. Dargestellt ist ein inhomogenes elektrisches Feld, in dem sich Atome befinden. Von außen fällt Strahlung mit der Energie ein, z. B. Ultraviolettstrahlung oder andere Ionisierende Strahlung.
Trifft nun ein Photon mit ausreichender Energie auf ein Atom, um ein Elektron aus seiner Bindung zu lösen, so entsteht ein freies Elektron (Photoelektrischer Effekt). Dieses wird wiederum auf Grund des vorherrschenden Feldes zur positiv geladenen Plattenelektrode gezogen, und kann auf seinem Weg Elektronen aus anderen Atomen lösen (Lawineneffekt). Dadurch werden viele freie Ladungsträger erzeugt, die einen leitfähigen Kanal bilden, in dem eine elektrische Entladung stattfindet (Bewegung der Ladungsträger zur Elektrode). Da diese Entladung jedoch nicht über die gesamte Strecke zwischen den Elektroden reicht, wird von einer Teilentladung gesprochen.
Eine weitere Ursache für eine Teilentladung kann das „Absaugen“ von Elektronen aus einer Elektrode aufgrund starker Felder sein (Feldemission).
In technischen Anwendungen, insbesondere in der Hochspannungstechnik, wird versucht, die Entstehung inhomogener Feldverläufe zu verhindern, z. B. durch Feldstreuungselektroden oder Koronaringe. Beschädigungen an Bauteilen können jedoch inhomogene Feldverläufe und somit die Entstehung von Teilentladungen begünstigen.
Kategorisierung Bei dem Begriff Teilentladung handelt es sich um einen Oberbegriff, unter dem die folgenden Teilentladungseffekte zusammengefasst sind.
Äußere Teilentladungen (Korona) Äußere Teilentladungen sind Entladungen an den Oberflächen von freien Metallelektroden in den umgebenden Luftraum hinein. Sie entstehen vorzugsweise an scharfkantigen Teilen, an denen sich die Feldstärke stark erhöht. Allgemein bekannt ist dieses Phänomen mit den hör- und sichtbaren Koronaentladungen an Hochspannungsfreileitungen. Auch beim St.-Elms-Feuer handelt es sich um äußere Teilentladungen.
Äußere Vorentladungen können vermieden werden durch runde Gestaltung aller Kanten sowie durch feldsteuernde Ringe, wie sie z. B. an Hochspannungskaskaden eingesetzt werden.
Innere Teilentladungen miniatur|Eine Lichtenberg-Figur in einem Acrylglasquader, tatsächliche Größe: 76 mm × 76 mm × 51 mm 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 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 Bauteilen, die durch Tränkung oder Gießharz hergestellt sind (Schaltnetzteil-Transformatoren, Hochspannungskaskaden), führen zu Teilentladungen. Transformatoren (insbesondere Hochspannungs- und Schaltnetzteil-Transformatoren) werden daher häufig vakuum-getränkt oder unter Vakuum vergossen.
Weitere Beispiele sind nicht vergossene Transformatorwicklungen aus Kupferlackdraht in Schaltnetzteil-Übertragern und locker gewickelte Folienkondensatoren bei Wechselspannungsanwendung.
Auch geschirmte Kabel sind davon betroffen, wenn Schirmgeflecht oder Innenleiter nicht vollständig am Dielektrikum anliegen. Da das kaum erreichbar ist, behilft man sich mit leitfähigen Schichten an den Grenzflächen.
Innere Teilentladungen führen aufgrund der Ultraviolettstrahlung und Ionisation langfristig zur Schädigung des umgebenden organischen Isolierstoffes und müssen daher vermieden werden.
Gleitentladungen mini|Eine Gleitentladung auf dieser Platte aus Polycarbonat hat die Zerstörung des Isolators bewirkt. Bei Gleitentladungen tritt das Phänomen der Teilentladung an der längs zum Feld liegenden Grenzschicht eines Isolierstoffes auf. In diesem Fall ist der homogene Verlauf des elektrischen Feldes gestört und kann zu gleitenden Entladungen entlang der Grenzschicht führen.
Schmutz und Feuchtigkeit fördern diese Erscheinung. Jedoch weisen viele Isolierstoffe schon im sauberen Zustand entlang ihrer Oberflächen eine geringere Durchschlagsfestigkeit auf als die gleich lange Luftstrecke.
Auch hier führen die Gleit- oder Vorentladungen insbesondere bei organischen Isolierstoffen zur Schädigung, zum Auftreten von Kriechströmen und in der Folge zum Durchschlag.
Gleitentladungen können vermieden werden durch Verlängerung der Grenzschicht (Rippen von Isolatoren) und durch Schutz vor Feuchtigkeit (Imprägnierung). Eine weitere Maßnahme ist das Anbringen von Metall-Unterteilungen definierter Potentiale (Feldsteuerung).
Bedeutung und Messtechnik mini|Teil einer Mittelspannungsschaltanlage mit Schäden zufolge Gleitentladungen an der Isolatoroberfläche 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 u. a. 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 Teilentladungs-Aussetzspannung 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 u. a. Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (VDE) und International Electrotechnical Commission (IEC 60270).
Die Messung der Teilentladungen erfolgt mit typischen Messempfängern im Bereich von etwa 100 kHz bis einige MHz. Die untere Messschwelle ist durch Störungen zudem in abgeschirmten Messplätzen selten unter 1 pC. In Messplätzen stellen Oszilloskope die Prüfspannung (meist 50 Hz, bei Schaltnetzteil-Übertragern jedoch im Bereich von deren Arbeitsfrequenz) gemeinsam mit den hochfrequenten Teilentladungsimpulsen dar und lassen entsprechend deren Lage zueinander weiterführende Interpretationen zu, z. B. ob es sich um äußere oder innere TE handelt. Eine typische TE-Messung nach Vorschrift beinhaltet das Aufregeln der Betriebsspannung auf das 1,8-Fache der Bemessungsspannung, was für eine gewisse Zeit gehalten wird. Die eigentliche Messung erfolgt nicht bei dieser Spannung (sie dient lediglich als „Anregung“), sondern bei der 1,3-fachen Bemessungsspannung.
Ein Beispiel für sicherheitsrelevante Bauteile sind Zünd-Transformatoren zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter in Eisenbahn-Elektroantrieben, die alle in der Endprüfung eine 100 %-Teilentladungsmessung durchlaufen. Großtransformatoren und andere Hochspannungsbauteile, z. B. in Umspannwerken, werden regelmäßig mit mobilen TE-Messsystemen überprüft, um vorbeugende Wartungs- und Austauschmaßnahmen planen zu können.
Messung mini|Akustische Messung zur Detektion von Teilentladungen an einer Hochspannungsanlage Um TE-Impulse nach IEC 60270 (High-voltage test techniques – Partial discharge measurement) messen und beurteilen zu können, müssen diese aus dem Prüfling ausgekoppelt und einem geeigneten Auswertesystem zur Signalaufbereitung, Signalverarbeitung, Visualisierung und Datensicherung zugeführt werden.
Zu diesem Zweck gibt es TE-Messgeräte, die für gewöhnlich einkanalige TE-Messungen in z. T. vordefinierten festen Frequenzbändern erlauben. Diese Messsysteme sind überwiegend für den Einsatz im Prüffeld optimiert und ermöglichen keine ausreichende Flexibilität, um z. B. frequenzstarren Störern, die unter Vor-Ort-Bedingungen temporär auftreten, durch Variation der Messfrequenz oder der Messbandbreite geeignet ausweichen zu können; empfindliche TE-Messungen vor Ort sind damit daher gewöhnlich nicht möglich.
Ergänzend sind daher weitere Verfahren im Gebrauch, z. B. akustische Verfahren die Detektierung der Ultraviolettstrahlung das Aufspüren von Zersetzungsprodukten der Isolierstoffe der Empfang der durch die TE erzeugten Funkwellen im UHF-Bereich.
Elektrische und magnetische Verfahren Konventionelle TE-Auskopplung Nach der IEC 60270 (High-voltage test techniques – Partial discharge measurement) erfolgt die Messung von Teilentladungen am Kabelende. Die Auskopplung der TE-Impulse erfolgt dabei über eine Messimpedanz (Auskoppelvierpol ), die den durch den lokalen Isolationszusammenbruch im Prüfling verursachten impulsartigen NachladestromCrichton, Karlsson, Pedersen: Partial Discharges in Ellipsoidal and Spheroidal Voids, IEEE Transactions on Electrical Insulation, 1989, Vol 24, No. 2 des parallel zum Prüfling angeschlossenen Koppelkondensators in ein ladungsäquivalentes Spannungssignal konvertiert. Dieses Spannungssignal gelangt über das Kabel zum TE-Messgerät .
Messkreise Mehrere Arten der Verschaltung von Prüfling , Koppelkondensator und Messimpedanz (, ) sind möglichIEC 60270, High-voltage test techniques – Partial discharge measurement, Version 2000, 3rd Edition. Abbildung 2 zeigt den Messaufbau bei geerdetem Koppelkondensator .
rechts|mini|Abbildung 2: Messaufbau mit geerdetem Koppelkondensator
In diesem Fall liegt der Prüfling mit der Messimpedanz in Serie, was bei Prüflingen mit kleinem Kapazitätswert zu einer guten Messempfindlichkeit führt. Bei einem Durchschlag des Prüflings liegt bei dieser Schaltung die volle Prüfspannung an der Messimpedanz an, sodass die nachgelagerte Messtechnik vor Überspannung geschützt werden muss.
Da bei den meisten Hochspannungsprüflingen eine isolierte Aufstellung oder eine Auftrennung der Erdverbindung nicht möglich ist, muss in dem Fall die Messimpedanz in den Erdzweig des Koppelkondensators eingebracht werden. Hierzu muss dieser isoliert aufgestellt werden und die Erdverbindung des Prüflings bleibt bestehen. Abbildung 3 zeigt diese Anschlussvariante.
rechts|mini|Abbildung 3: TE-Messung mit geerdetem Prüfling