Rechner IEC 61620: tan δ und Leitfähigkeit von Isolierflüssigkeiten
tan δ, Leitfähigkeit, spezifischen Widerstand und Permittivität von Isolierölen aus G und C nach IEC 61620 berechnen – mit Rechteckspannung und Messzelle.
Tan δ, Leitfähigkeit und Permittivität von Isolierflüssigkeiten nach IEC 61620
Alle Berechnungen des Verfahrens nach DIN EN / IEC 61620: der Verlustfaktor aus gemessener Konduktanz und Kapazität, die Ströme des Rechteckspannungsverfahrens, die Umrechnung zwischen tan δ, Leitfähigkeit und spezifischem Widerstand, die Messzelle sowie die Kriterien für Sauberkeit, Wiederholbarkeit und Vergleichbarkeit.
Ergebnis
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Was dieser Rechner leistet
Er deckt alle Berechnungen ab, die die Norm DIN EN 61620 (IEC 61620:1998) vorsieht, Isolierflüssigkeiten – Bestimmung des dielektrischen Verlustfaktors durch Messung der Konduktanz und Kapazität – Prüfverfahren. Er hat fünf Reiter:
- Ergebnis aus G und C: tan δ, Widerstand der Messzelle, relative Permittivität, Leitfähigkeit und spezifischer Widerstand, mit Prüfung der Messbereiche.
- Rechteckspannung: Kapazität und Konduktanz aus den gemessenen Strömen, mit Prüfung des Generators, der Feldstärke in der Messzelle und der Ionenlaufzeit.
- tan δ ↔ σ ↔ ρ: Umrechnung zwischen den drei Größen und von einer Frequenz auf eine andere.
- Messzelle: Leerkapazität und Konstante einer Koaxialzelle oder einer Zelle mit planparallelen Elektroden, mit dem Mindestabstand der Elektroden.
- Präzision: Wiederholbarkeit, Vergleichbarkeit, Drift der Messzelle nach zwei Minuten und Temperaturtoleranz.
Alles wird in Ihrem Browser berechnet; es werden keine Daten übertragen.
Das Verfahren der Norm
Statt einer Wechselstrombrücke legt die Norm an die Messzelle eine Rechteckspannung niedriger Amplitude und niedriger Frequenz an. Während des Spannungsanstiegs fließt überwiegend kapazitiver Strom, im stationären Abschnitt nur noch der Leitungsstrom, der gemessen wird, bevor sich die Ionen an den Elektroden ansammeln. Daraus ergeben sich die beiden Kenngrößen der Messzelle:
C = IC / (dV/dt) G = IR / V
und der Verlustfaktor bei der gewünschten Frequenz, üblicherweise 50 oder 60 Hz:
tan δ = G / (C ω), mit ω = 2πf
Ist die relative Permittivität der Flüssigkeit bei Messtemperatur bekannt, beträgt die Leitfähigkeit σ = ε0 εr G / C; da εr = C / C0 ist, genügt die Kapazität der leeren Messzelle: σ = ε0 G / C0. Der spezifische Widerstand ist der Kehrwert, ρ = 1/σ.
Was die Norm als geeignet ansieht
| Parameter | Wert | Abschnitt |
|---|---|---|
| Amplitude der Rechteckspannung | 10 V bis 100 V | 5.3 |
| Frequenz der Rechteckspannung | 0,1 Hz bis 1 Hz | 5.3 |
| Anstiegszeit | 1 ms bis 100 ms | 5.3 |
| Welligkeit | < 1 % | 5.3 |
| Messbare Konduktanz (Beispiel) | 2 × 10⁻¹⁴ S bis 2 × 10⁻⁶ S, Fehler < 2 % | 5.4 |
| Messbare Kapazität | 10 pF bis 1.000 pF, Unsicherheit < 1 % | 5.4 |
| Bereich von tan δ | 10⁻⁶ bis 1, unter besonderen Bedingungen bis 200 | 1 |
| Elektrodenabstand | üblich 4 mm, nie unter 1 mm | 5.1 |
| Temperatur der Messzelle | ±1 °C des festgelegten Werts | 5.2 und 8.3 |
| Zulässige Drift nach 2 min | 2 % | 8.1.3 und 8.1.4 |
Der Rechner weist darauf hin, wenn ein Wert außerhalb dieser Grenzen liegt. Anhang C ergänzt zwei physikalische Prüfungen, die ebenfalls durchgeführt werden: Die Feldstärke in der Messzelle muss unter 1 kV/cm bleiben, damit weder feldverstärkte Dissoziation noch Ioneninjektion das Ergebnis verfälschen, und jede Halbwelle muss kürzer sein als die Laufzeit eines Ions zwischen den Elektroden, t = L² / (kV), wobei die Beweglichkeit nach dem Stokesschen Gesetz abgeschätzt wird, k = e / (6πηa).
Rechenbeispiel
Es ist dasselbe Beispiel, das die Norm in Abschnitt 5.4 angibt. Öl mit εr = 2 in einer Messzelle mit 40 pF leer (80 pF gefüllt) und einer gemessenen Konduktanz von 2 × 10⁻¹⁴ S:
- tan δ = 2 × 10⁻¹⁴ / (80 × 10⁻¹² × 2π × 50) = 0,8 × 10⁻⁶ bei 50 Hz
- σ = 8,854 × 10⁻¹² × 2 × 10⁻¹⁴ / 40 × 10⁻¹² = 0,0044 pS/m
- ρ = 2,3 × 10¹⁴ Ω·m
Mit einem Generator von ±30 V, 0,5 Hz und 10 ms Anstiegszeit beträgt die Steilheit 6.000 V/s: Diese Messzelle liefert einen kapazitiven Strom von 480 nA und einen Leitungsstrom von nur 0,6 pA. Bei 4 mm Elektrodenabstand beträgt die Feldstärke 0,075 kV/cm, und ein Ion braucht etwa 500 s für die Strecke – gegenüber 1 s Halbwellendauer: Es handelt sich um eine Gleichgewichtsmessung.
Reinigung und Präzision
Bei einer hochisolierenden Flüssigkeit hängen die Ergebnisse stärker von der Messzelle ab als von der Flüssigkeit selbst. Die Norm legt ein umfassendes Reinigungsverfahren fest (Anhang A, das Referenzverfahren im Streitfall), ein vereinfachtes Verfahren für Messzellen, die nur für eine Flüssigkeitsart verwendet werden (Anhang B), sowie ein Kriterium für die Sauberkeit der Zelle: σ oder tan δ dürfen zwei Minuten nach dem Befüllen um nicht mehr als 2 % driften.
Zwei Ergebnisse sind annehmbar, wenn |A − B| < α · Min(A, B) gilt:
| Neue Flüssigkeit | Gebrauchte Flüssigkeit | |
|---|---|---|
| Wiederholbarkeit r (ein Labor) | α = 0,2 | α = 0,1 |
| Vergleichbarkeit R (zwei Labore) | α = 0,35 | α = 0,20 |
Als Anhaltspunkt: In Ringversuchen mit neuem Mineralöl mit tan δ = 2 × 10⁻⁶ nennt die Norm r = 0,4 × 10⁻⁶ und R = 1,2 × 10⁻⁶.
Was dieser Rechner nicht leistet
Er misst nichts, sondern geht von den Messwerten des Geräts aus. Er korrigiert tan δ und σ nicht auf eine Bezugstemperatur, weil die Norm kein Korrekturgesetz angibt: Sie stellt fest, dass sich die Werte je nach Flüssigkeit um bis zu 5 % pro Grad ändern können, und verlangt deshalb, die Messzelle auf ±1 °C zu halten. Die Umrechnung zwischen tan δ und Leitfähigkeit gilt nur, wenn die Flüssigkeit bei dieser Frequenz keine nennenswerten dipolaren Verluste aufweist. Die Formel für die Koaxialzelle ist elementare Elektrostatik – die Norm behandelt nur den ebenen Fall –, und keine der beiden Formeln berücksichtigt Randeffekte. Grenzwerte für die Annahme des Öls legt er ebenfalls nicht fest: Diese ergeben sich aus den Spezifikations- und Wartungsnormen der jeweiligen Flüssigkeit.
Womit gemessen wird
Das Messgerät TAND220A arbeitet genau nach diesem Verfahren: Rechteckspannung von ±30 V bei 0,5 Hz, koaxiale Messzelle aus Edelstahl mit etwa 60 pF Leerkapazität und Leitfähigkeit ab 0,01 pS/m. Für das klassische Brückenverfahren nach IEC 60247 mit tan δ und spezifischem Widerstand bei erhöhter Temperatur gibt es das Prüfgerät HZJD-2Z. Wenn Sie zusätzlich wissen möchten, wie viel Wasser das Öl enthält, nutzen Sie den Rechner für Feuchtigkeit im Öl.
Häufige Fragen
- Worin unterscheiden sich IEC 61620 und IEC 60247?
- IEC 60247 misst tan δ mit einer Wechselstrombrücke und den spezifischen Widerstand mit Gleichspannung bei Feldstärken bis 250 V/mm über eine Minute. IEC 61620 misst Konduktanz und Kapazität gleichzeitig mit einer Rechteckspannung niedriger Amplitude und niedriger Frequenz, ohne die Flüssigkeit aus dem thermodynamischen Gleichgewicht zu bringen. Deshalb erreicht das Verfahren tan δ bis 10⁻⁶ bei Netzfrequenz und eignet sich auch bei Raumtemperatur für hochisolierende Flüssigkeiten. IEC 60247 wird dadurch nicht ersetzt, sondern ergänzt.
- Warum liefern tan δ und Leitfähigkeit dieselbe Information?
- Weil das Ersatzschaltbild einer Flüssigkeit ohne dipolare Verluste – der Fall bei fast allen Flüssigkeiten der Elektrotechnik – eine Kapazität mit parallelem Widerstand ist, und es gilt tan δ = σ / (ε0 εr ω). Bei bekannter Permittivität lässt sich die eine Größe bei jeder Frequenz aus der anderen berechnen. Ein tan δ von 10⁻⁶ bei 50 Hz entspricht in einer Flüssigkeit mit εr = 2 etwa 0,006 pS/m.
- Wann sind zwei tan-δ-Messungen annehmbar?
- Wenn ihre Differenz kleiner ist als das α-Fache des niedrigeren der beiden Werte. Im selben Labor (Wiederholbarkeit) beträgt α 0,2 für neue und 0,1 für gebrauchte Flüssigkeit, zwischen zwei Laboren (Vergleichbarkeit) 0,35 bzw. 0,20. Diese Kriterien gelten für Messungen bei Raumtemperatur.
- Woran erkenne ich, ob die Messzelle sauber genug ist?
- Bei sauberer Messzelle und konstanter Temperatur ändert sich die Leitfähigkeit nicht mit der Zeit. Die Norm lässt eine Drift von bis zu 2 % zwei Minuten nach dem Befüllen zu; dann gilt der erste Messwert. Ist die Drift größer, wird die Zelle erneut gereinigt, eine zweite Probe gemessen und der niedrigere Wert protokolliert.