Eine Teilentladung (TE) ist ein elektrischer Durchschlagvorgang, der sich örtlich begrenzt in einem Isoliermedium zwischen zwei Leitern unterschiedlichen Potentials abspielt. Teilentladungen entstehen durch ein hohes, ungleichmäßiges elektrisches Feld und führen dazu, dass sich das Isoliersystem im Laufe der Zeit verschlechtert, seine Nutzungsdauer also abnimmt (Verlust der Durchschlagfestigkeit).
Teilentladungen werden durch die dielektrische Beanspruchung verursacht, die von einer hohen und nicht homogenen Spannung in den Isolierstoffen ausgeht. Die wichtigsten Ursachen für das Auftreten von TE sind:
- Nicht homogene Verteilung des elektrischen Feldes.
- Bläschen in festen und flüssigen Isolierstoffen.
- Spitzeneffekte, die die dielektrische Beanspruchung in der Isolierung konzentrieren.
- Feuchte, Risse oder Wasserbäumchen (water treeing).
- Verunreinigungen auf der Oberfläche der Isolierung.
- Spannung oberhalb der Durchschlagfestigkeit der Isolierstoffe.
Der große Vorteil der TE-Prüfung liegt darin, dass sich das Betriebsmittel im laufenden Betrieb analysieren und diagnostizieren lässt, denn unmittelbar vor dem Ausfall geht die TE-Intensität zurück. Sobald das Problem erkannt ist, wird eine Abschaltung eingeplant, um die Korrekturmaßnahme durchzuführen.
Teilentladungen lassen sich in 4 Hauptgruppen einteilen:
Innere Teilentladungen
Innere Teilentladungen gehen in der Regel auf Hohlräume innerhalb der elektrischen Isolierung zurück. Hohlräume sind Schwachstellen im Isolierstoff und entstehen üblicherweise durch Fertigungsfehler oder durch Alterung des Materials.
Das elektrische Feld innerhalb eines Hohlraums ist gleich groß oder größer als das elektrische Feld in der umgebenden Isolierung. Das liegt daran, dass das Gas eine geringere Durchschlagfestigkeit hat als der umgebende Isolierstoff; Hohlräume sind damit Schwachstellen innerhalb der Isolierung, an denen die TE-Aktivität einsetzt.
Das folgende Bild zeigt, wie die TE Impulse in Bezug auf die angelegte Spannung abgibt. Darin ist Vc die Spannung im Hohlraum, die einen Bruchteil der angelegten Spannung Va beträgt. Erreicht die Spannung im Hohlraum U+, also die Durchschlagspannung des Gases im Hohlraum, kommt es zur Entladung, und die Spannung im Hohlraum fällt auf V+ ab, wo die Entladung erlischt.
Zu beachten ist, dass Feuchte und Schadstoffe aus der Umgebung Schichten auf dem Isolator bilden können. Diese unerwünschte Schicht ist ein Pfad für einen Ableitstrom auf der Oberfläche des Isolators. Dieser Strom erzeugt Wärme auf der Oberfläche und führt zu einer Verdampfung, die die Verschmutzungsschicht physisch aufreißt.
Über den Lücken in der Verschmutzungsschicht entstehen große Potentialdifferenzen, und kleine Funken können diese Lücken überbrücken. Die Wärme der Funken verkohlt die Isolierung und führt zu dauerhaften Kohlenstoffspuren auf der Oberfläche.
Unter diesen Bedingungen entwickelt sich der Vorgang über die Zeit weiter und führt schließlich zu einem Durchschlag und zum vollständigen Versagen der Isolierung.
Oberflächenentladungen
Zu beachten ist, dass Feuchte und Schadstoffe aus der Umgebung Schichten auf dem Isolator bilden können. Diese unerwünschte Schicht ist ein Pfad für einen Ableitstrom auf der Oberfläche des Isolators. Dieser Strom erzeugt Wärme auf der Oberfläche und führt zu einer Verdampfung, die die Verschmutzungsschicht physisch aufreißt.
Über den Lücken in der Verschmutzungsschicht entstehen große Potentialdifferenzen, und kleine Funken können diese Lücken überbrücken. Die Wärme der Funken verkohlt die Isolierung und führt zu dauerhaften Kohlenstoffspuren auf der Oberfläche.
Unter diesen Bedingungen entwickelt sich der Vorgang über die Zeit weiter und führt schließlich zu einem Durchschlag und zum vollständigen Versagen der Isolierung.
Korona
Korona ist eine Entladungsform, die an spitzen, spannungsführenden Stellen unter Hochspannung auftritt, sobald der Spannungsgradient einen kritischen Wert überschreitet. Der Korona-Effekt entsteht durch die Ionisation des Mediums, das einen Leiter umgibt; er kann ebenso an einer scharfen Spitze auf Erdpotential auftreten und ist zudem als Licht wahrnehmbar, typischerweise als violettes Glimmen, da Korona in der Regel aus Mikrolichtbögen besteht.
Der Korona-Effekt ist ein Vorgang mit geringer Energie, kann die Isolierung über längere Zeiträume aber erheblich schädigen und Ausfälle durch dielektrischen Durchschlag verursachen. Anders gesagt: Das Auftreten von Korona kann die Zuverlässigkeit eines Isoliersystems verringern. Zu beachten ist außerdem, dass die Korona-Wirkungen kumulativ und dauerhaft sind und dass ein Ausfall ohne Vorwarnung eintreten kann.
Der Korona-Effekt kann Folgendes hervorrufen:
- Licht
- Ultraviolette Strahlung
- Geräusche (Zischen, Knistern durch die Ausdehnung der sichtbaren Gase)
- Ozon
- Salpetersäure und weitere Säuren
- Salze (manchmal als weiße Pulverablagerungen sichtbar)
- Mechanische Erosion von Oberflächen durch Ionenbeschuss
- Erwärmung (in der Regel gering und besonders im Isolierstoff)
- Kohlenstoffablagerungen, die einen möglichen Lichtbogenpfad bilden
Bei elektrischen Schaltanlagen kann die Ionisation die Durchschlagfestigkeit der Luft verringern, wenn das gekapselte Betriebsmittel nicht ausreichend belüftet ist; die kürzeste Isolationsstrecke führt schließlich zu einem energiereichen Lichtbogen zwischen zwei Phasen oder zwischen Phase und Erde. Sammelt sich Salpetersäure in einem geschlossenen Raum wie einer luftisolierten Verteilung, entstehen Kohlenstoffspuren auf den Isolierstoffen. Der Ionenbeschuss zerstört darüber hinaus manche festen Isolierstoffe und lässt sie am Ende zu Staub zerfallen.
Elektrisches Treeing
Elektrisches Treeing geht von einer Fehlstelle aus, etwa einem kleinen Gashohlraum, einer scharfen Elektrodenkante oder einem metallischen Partikel, an der das elektrische Feld hoch ist. Diese Teilentladung kann Ozon und ultraviolettes Licht erzeugen, die im Laufe der Zeit mit dem umgebenden dielektrischen Material reagieren und dessen Zersetzung bewirken, sodass ein neuer Hohlraum entsteht. Diese Schwachstelle wächst im Laufe der Zeit weiter und bildet einen Baum innerhalb der Isolierung. Dieser Baum kann so weit wachsen, dass er einen vollständigen Durchschlag verursacht.
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