Teilentladungsprüfung ohne komplexen Aufbau: Schritt-für-Schritt-Anleitung

Ich erinnere mich an den Standardaufbau eines traditionellen Teilentladungsprüfstands: Hochspannungsquelle, Koppelkondensator, Sperrimpedanz, Messimpedanz, Teilentladungsdetektor und Kalibrierimpulsgenerator; 6 Geräte, die jeweils ihre eigene Verkabelung und ihre eigenen Prüfungen vor der ersten Messung erforderten!

Es handelt sich um eine Methode zur Teilentladungsprüfung, deren Einrichtung äußerst komplex sein kann. Dieser zusätzliche Aufwand hat die Teilentladungsmessung in Umgebungen, in denen sie dringend benötigt würde, bisher verhindert. Dieser Leitfaden erläutert die Spezifikationen der IEC 60270, wie die einfache Bedienung eines modernen, kombinierten Teilentladungsmess- und -analysesystems die Belastung des Prüfpersonals verringert und wie die Anwendung erfolgt. Teilentladung Prüfungen, die für die jeweilige Art von elektrischen Geräten geeignet sind – sei es das Hochspannungskabel, der Leistungstransformator oder die Schalttafel.

Es beschreibt auch die verschiedenen Technologien, die zur Bewältigung der unterschiedlichen Probleme im Zusammenhang mit der Prüfung elektrischer Anlagen eingesetzt werden können.

Was ist Teilentladung – und warum sie unbemerkt die Isolierung zerstört?

Teilentladung, oft abgekürzt TE, bezeichnet den elektrischen Durchschlag eines Teils eines heterogenen Isolators an beliebiger Stelle der Isolierung. Im weitesten Sinne muss der Isolationsraum zwischen Leiter und gegenüberliegendem Pol geschlossen sein. Die Entladung ist zwar teilweise, aber nicht ausreichend, um einen geschlossenen Stromkreis vollständig zu entladen und somit Kurzschlüsse zu verursachen.

IEC 60270:2025: „Entladungen, die die Isolation zwischen den Leitern nur teilweise durchdringen.“ Die Energie eines einzelnen Teilentladungsimpulses ist gering – im Pikocoulomb-Bereich –, jedoch führt die kumulative Wirkung über die Jahre hinweg zu einer allmählichen und unwiderruflichen Zerstörung organischer Isoliermaterialien (XLPE, Epoxidharz, mineralölimprägniertes Papier).

Teilentladungen schädigen die Isolierung durch chemische Angriffe (Ozon und Salpetersäure aus Koronaentladungen), Hitze und mechanische Belastung durch wiederholte Plasmastoßwellen. In festen Isolierungen erzeugen wiederholte Entladungen mikroskopisch kleine Kanäle, die sich nach außen verzweigen und ein Muster bilden, das als elektrische Baumstruktur bezeichnet wird. Sobald sich diese Baumstruktur in der Isolierung entwickelt hat, kann es je nach Spannungsniveau und Entladungsintensität Wochen bis Monate dauern, bis die Isolierung vollständig ausfällt.

Isolationsfehler zählen zu den häufigsten Ursachen für Störungen an Transformatoren und Kabeln in Energieversorgungsunternehmen. In vielen Anlagen wird die Teilentladungsprüfung jedoch erst durchgeführt, nachdem sich Isolationsfehler in den dielektrischen Verlustmessungen bemerkbar gemacht haben – und auch dann nur, wenn der Fehler bereits eingetreten ist. Sie wird nicht präventiv bei Inbetriebnahmen oder planmäßigen Überholungen eingesetzt.

Welche verschiedenen Arten von Teilentladungen gibt es?

In Mittel- und Hochspannungsanlagen treten drei Hauptarten von Teilentladungen auf. Die Kenntnis der verschiedenen Teilentladungsarten ist wichtig, da jede ein charakteristisches PRPD-Signal erzeugt und unterschiedlich auf Detektionsmethoden reagiert:

• Interne Entladungen treten in Hohlräumen, Gasblasen oder Delaminationen in festen oder flüssigen Isolierungen auf. Die Hohlräume bilden einen Kondensator in Reihe mit der Hauptisolierung. Da die Durchschlagspannung des Hohlraums niedriger ist als die des umgebenden Dielektrikums, entlädt er sich bei normalen Betriebsspannungen wiederholt. Interne Entladungen sind die zerstörerischste Art der Entladung, da sie das Isolationssystem von innen angreifen.
• Oberflächenentladungen treten an Oberflächen auf und bilden sich an der Grenzfläche zweier Materialien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten oder auf der Oberfläche verschmutzter Isolierungen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Teilentladungen ist an Außenisolatoren und Durchführungen unter Bedingungen von Salz, Feuchtigkeit und industrieller Verschmutzung deutlich erhöht.
• Koronaentladung – ein Zustand der Ionisierung und der daraus resultierenden elektrischen Entladungen in der Luft um scharfe Kanten oder schlecht gewartete Verbindungen an Bauteilen in einem ungleichmäßigen elektrischen Feld. Koronaentladungen treten am häufigsten an den Bauteilen von Freileitungen und an der Außenfläche der Isolatoren von Freileitungsanlagen auf. In den meisten Fällen ist sie im Vergleich zu internen Entladungen weniger gefährlich, lässt sich aber mit Ultraschall- oder UHF-Sensoren (Ultrahochfrequenz) auch aus großer Entfernung leicht erfassen.

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Warum für die herkömmliche IEC 60270-Prüfung vier bis sechs separate Messgeräte benötigt werden

IEC 60270 beschreibt kein spezifisches Messgerät, sondern eine Prüfschaltung. Diese internationale Norm beschreibt das Verfahren zur indirekten Messung der während einer Entladung übertragenen Ladung mithilfe einer kapazitiven Kopplungsschaltung, überlässt die Implementierung jedoch dem Anwender. In der klassischen Konfiguration umfasst dies üblicherweise die Erfassung und Einstellung von mindestens sechs Messelementen.

1. Hochspannungsquelle – gekennzeichnet durch einen niedrigen Anteil an Fremdrauschen, um die Entladungssignale des Prüflings nicht zu überdecken, und durch eine Frequenz, die sich während einer einzelnen Messung nicht ändert;
2. Sperrimpedanz (Z) – deren Hauptzweck darin besteht, zu verhindern, dass im Objekt erzeugte Entladungsimpulse zur Hochspannungsquelle gelangen und verloren gehen;
3. Koppelkondensator (Ck) – dient als Pfad mit sehr niedriger Impedanz für Entladungsimpulsfrequenzen (100 kHz – 1 MHz), wodurch Ladungsimpulse an die Detektionsschaltung gesendet werden können;
4. Die Impedanzmessung (Zm) dient dazu, einen Ladungsimpulsstrom in ein für den Detektor akzeptables elektrisches Signal umzuwandeln; üblicherweise wird sie als RC- oder RLC-Quadrupol realisiert.
5. Teilentladungsdetektor – dieses Gerät wählt das Signal aus, verstärkt es, filtert es und digitalisiert es und kann das phasenaufgelöste Teilentladungsmuster (PRPD) relativ zum angelegten Spannungszyklus anzeigen;
6. Impulskalibrator – wird vor jedem Test verwendet, um eine genau kontrollierte Ladungsmenge (im pC-Bereich) in den Messkreis einzuspeisen und die metrologische Rückführbarkeit auf Referenznormale zu bestätigen (gemäß IEC 60270, erforderlich für jede Messreihe).

Wie das NETA World Journal feststellte (Stone, A. Cavallini, 2024): „Der Übergang von analogen zu digitalen Teilentladungsmessgeräten ab den 1990er-Jahren verbesserte zwar die Wiederholgenauigkeit, die Anzahl der verwendeten Geräte blieb jedoch gleich. Obwohl Software die Darstellung phasenaufgelöster Muster (PRPD) ermöglichte, wurde dieser Vorteil durch die Notwendigkeit, zweidimensionale Diagramme anhand von Phasen- und Amplitudendaten zu interpretieren, relativiert, was umfangreiche Erfahrung erfordert. Zusätzlich werden mitunter Sensoren mit Hochfrequenz-Stromwandlern (HFCT) eingesetzt, die an die Erdungsanschlüsse der Kabel angeschlossen werden können, ohne den Prüfstromkreis zu unterbrechen. Jeder dieser Sensoren stellt jedoch ein zusätzliches Gerät dar, das vor Ort beschafft, überprüft und konfiguriert werden muss.“

Wie automatisierte All-in-One-PD-Testsysteme die Barrieren beseitigen

Ein integriertes Teilentladungsprüfsystem ändert nichts an der Art der IEC 60270-konformen Messung selbst. Geändert wird lediglich die Durchführung des Prozesses – genauer gesagt, die Anzahl der Geräte, die der Anwender für die Durchführung der Messung benötigt. Kopplungsmechanismus, Signalaufbereitungsschaltung und In-situ-Kalibrierungsreferenz sind in einem einzigen Gerät integriert. Der Anwender muss lediglich das Hochspannungsausgangskabel an das Prüfobjekt anschließen, eine Gerätekalibrierung durchführen und anschließend den Spannungsanstieg starten. Dadurch verkürzt sich die Testvorbereitungszeit von Stunden auf Minuten, ohne Kompromisse einzugehen, da keine zusätzlichen Impedanznetzwerke angeschlossen oder überprüft werden müssen.

Demiks automatische Teilentladungsprüfsysteme Alle drei Funktionen sind in einem Gerät mit integrierter Kupplung und automatischer Kalibrierungsroutine vereint. Teilentladungsdetektor Das Sortiment umfasst tragbare Messgeräte für Online-Tests und Tischgeräte für Offline-Abnahmetests – siehe vollständige Produktbeschreibung Prüfgeräte für Teilentladungen Auswahlhilfe für Spezifikationen nach Anwendungsbereich.

So führen Sie einen Teilentladungstest durch – Schritt für Schritt

Wie führt man einen Teilentladungstest durch?

Alle sieben oben genannten Schritte gelten für Offline-Tests mit einem integrierten, IEC 60270-konformen Teilentladungsprüfgerät. Vor Beginn der Tests ist sicherzustellen, dass das Prüfobjekt vollständig spannungsfrei und sicher isoliert ist.

1. Schließen Sie den Prüfkreis an und prüfen Sie ihn. Verbinden Sie die Hochspannungsleitung, die Erdungsleitung und die Kopplung mit dem Prüfling. Stellen Sie bei einem integrierten System sicher, dass die Kopplung durch ihren kapazitiven Wert auf dem Eingangsprüfbildschirm des Messgeräts korrekt dargestellt wird.
2. Teilentladungsquellenrauschen (Teilentladungsgrundrauschen) messen: Hochspannungsquelle ausschalten und Detektor 30 Sekunden lang laufen lassen. Messwert in pC notieren. Bei einem Messwert über 1–2 pC muss die Rauschquelle gefunden und vor dem Fortfahren abgeschaltet werden.
3. Kalibrierimpuls einleiten: Eine bekannte Ladung (100 pC oder 500 pC) wird mithilfe des internen Kalibrierimpulsgenerators (oder eines externen Kalibrators) in das Prüfobjekt eingespeist. Die Ausgabe darf maximal 5 % der Ladung entsprechen. Dies ist gemäß IEC 60270 erforderlich und gewährleistet die Nachvollziehbarkeit aller nachfolgenden Messwerte.
4. Legen Sie eine Spannung an PDIV an. Erhöhen Sie die Prüfspannung schrittweise von 0 V bis zur Nennbetriebsspannung (U) und darüber hinaus, während Sie die Teilentladungsanzeige beobachten. Dieser Wert ist die Teilentladungs-Einsatzspannung (PDIV), die Mindestspannung, bei der regelmäßige Impulse beobachtet werden.
5. Halten Sie die Prüfspannung mindestens 60 Sekunden lang an. Wie in IEEE Std. 400.3-2022 beschrieben, messen und protokollieren Sie während dieser Haltezeit die höchste Teilentladungsamplitude in pC sowie die Impulsrate (in Impulsen pro Zeiteinheit).
6. Reduzieren Sie die Spannung und lokalisieren Sie die PDEV. Senken Sie die Spannung langsam ab. PDEV – Teilentladungslöschspannung (die Spannung, bei der keine Teilentladungen mehr auftreten). Ein signifikanter Unterschied zwischen PDIV und PDEV deutet auf selbsterhaltende Entladungen bei niedrigeren Feldstärken hin.
7. Wiederholen Sie die Kalibrierungsprüfung und notieren Sie die Messwerte. Geben Sie nach dem Test erneut einen Kalibrierungsimpuls ein und prüfen Sie, ob das System außerhalb der Toleranz abgedriftet ist. Dokumentieren Sie das PRPD-Musterbild und die numerischen Ergebnisse im Prüfbericht.

Anlagenspezifische Teilentladungsprüfung: Kabel, Transformatoren, Schaltanlagen und Generatoren

Die Wahl des Kopplungsverfahrens und der Spannungsquelle hängt maßgeblich vom jeweiligen Prüfobjekt ab. Jede falsche Konfiguration führt zu Zeitverlust und ungültigen Ergebnissen. Wählen Sie vor Ihrer Ankunft vor Ort die für Ihr spezifisches Prüfobjekt geeignete Methode aus der untenstehenden Tabelle aus.

DEMIKS-Lieferungen Ultraniederfrequenz-Hochspannungsgeneratoren für Kabel-Teilentladungsprüfungen bei 0.1 Hz VLF und Spannungsfestigkeitsgeräte mit variabler Resonanzfrequenz für die Prüfung von Serienresonanzkabeln. Vollständige anlagenspezifische Konfigurationen sind über die Hochspannungsprüfgeräte Produktauswahlseiten.

Online-, Offline- oder kontinuierliche PD-Überwachung – die richtige Wahl ohne zu viel zu investieren

Nicht alle Anlagen erfordern die gleiche Prüfung auf Teilentladungen (TE). Daten einer Branchenumfrage legen nahe, dass nur etwa 5 % bis 10 % der betriebenen Mittelspannungsanlagen eine relevante TE-Konzentration aufweisen, die auf ein kurzfristiges Ausfallrisiko hindeutet. Bei einem Umspannwerk mit vielen Schalttafeln, von denen über 90 % intakt sind, bedeutet dies die Installation permanenter TE-Überwachungssensoren mit einem minimalen Nutzen. Die Kritikalität der Anlagen und ihre Abschaltbarkeit müssen berücksichtigt werden.

Interpretation der PD-Ergebnisse – Was bedeuten die Werte PDIV, PDEV und pC?

Gemäß IEC 60270 wird die Teilentladungsmessung in Picocoulomb (pC) Scheinladung angegeben: die Ladung, die, wenn sie an den Anschlüssen des Prüflings angelegt würde, denselben Messwert am Messgerät erzeugen würde wie die tatsächliche Teilentladung. Die Erfassung der Teilentladungsaktivität über mehrere aufeinanderfolgende Messungen – anstatt einzelner Messwerte – liefert deutlich aussagekräftigere Diagnoseergebnisse. Es ist wichtig zu beachten, dass es sich hierbei nicht um die tatsächlich am Ort der Teilentladung übertragene Ladung handelt; diese ist extrem gering und vor Ort nicht messbar. Das Verständnis dieses Unterschieds ist entscheidend für den Vergleich von Ergebnissen verschiedener Labore oder Messgeräte.

Zwei spannungsbasierte Indikatoren liefern die nützlichsten Diagnoseinformationen:

• PDIV – Teilentladungs-Einsatzspannung: Die Spannung, bei der am Prüfling erstmals wiederholte Teilentladungsimpulse auftreten, wenn die angelegte Spannung langsam erhöht wird. Unterhalb dieser Spannung treten keine Teilentladungsimpulse mehr auf.
• PDEV – Teilentladungslöschspannung: Die Spannung, auf die die angelegte Spannung langsam reduziert wird, nachdem sie über die PDIV (Teilentladungslöschspannung) angehoben wurde, bei der keine Teilentladungen mehr auftreten. Eine niedrigere PDEV als die PDIV deutet darauf hin, dass die Entladung auch bei niedrigeren Spannungen fortbesteht, was in der Regel auf einen schwerwiegenderen Defekt hinweist.

Was ist der Standard für die Teilentladungsprüfung?

IEC 60270:2025 (4. Ausgabe) ist die am weitesten verbreitete Referenz für die konventionelle elektrische Teilentladungsmessung und umfasst Prüfschaltungen, Messungen in Picocoulomb, Kalibrieranforderungen und Berichtsverfahren. Für Feldprüfungen von Kabeln beschreibt IEEE Std. 400.3-2022 Offline-Prüfungen mit einer Netzfrequenz- oder VLF-Spannungsquelle; IEEE Std. 400.4-2015 behandelt gedämpfte Wechselstromsysteme (DAC); für berührungslose sensorbasierte Schaltanlagen-/GIS-Messungen legt IEC 62478 die Verfahren für UHF- und TEV-Messungen fest. Informationen zur Auswahl des richtigen Messgeräts finden Sie im DEMIKS-Leitfaden. Auswahl von Teilentladungsprüfgeräten.

Was ändert sich bei der Teilentladungsprüfung (2025–2026)?

Die weltweite Nachfrage nach Teilentladungsprüfgeräten, deren Wert 2025 auf über 1 Milliarde US-Dollar geschätzt wird und weiter steigt, wird durch Modernisierungsprogramme für Stromnetze, Infrastrukturerneuerung und Investitionen in Offshore-Windparks weiter steigen. Im Folgenden geben wir einen Ausblick auf den Stand der Teilentladungsprüfung im Feld bis Ende 2026.

• Die Prüfung von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsnetzen (HGÜ) entwickelt sich von einem Nischengebiet der Forschung hin zur praktischen Anwendung. Die Offshore-Windenergieübertragung basiert auf langen, isolierten HGÜ-Verbindungen, die während der Teilentladungsprüfung konditioniert werden müssen. Ein wesentlicher Unterschied zwischen HGÜ- und Wechselstrom-Teilentladungen (HLK-Teilentladungen) liegt in ihrem nicht-zyklischen Charakter. Während HLK-Teilentladungen durch deutliche Aktivitätsspitzen gekennzeichnet sind, die mit den Netzzyklen synchronisiert sind, können HGÜ-Teilentladungen sehr spärlich auftreten und lassen sich nicht ohne Weiteres anhand einer Netzfrequenzreferenz phasenauflösen. Verfahren zur Erkennung und Bewertung von Gleichstrom-Teilentladungen in Kabelsystemen werden ab 2025 kommerziell eingesetzt, und das IEC TC64 – das Komitee, das die Norm IEC 60270 entwickelt – erarbeitet aktiv Richtlinien für die Prüfung von Gleichstrom-Teilentladungen.
• Die KI-gestützte PRPD-Mustererkennung verringert die Interpretationsbarriere. Die häufigste Nutzerbeschwerde über Teilentladungsprüfung Wie in der Literatur von NETA und CIGRE dokumentiert, erfordert das Auslesen phasenaufgelöster Teilentladungsmuster jahrelange Erfahrung, sowohl vor Ort als auch im Labor. Nachbearbeitungswerkzeuge mit maschinellem Lernen sind mittlerweile in kommerzielle Geräte integriert. Sie kennzeichnen wahrscheinliche Fehlertypen und trennen Störungen von echten Entladungssignalen. Dies trägt direkt zur Lösung des Interpretationsproblems bei, das die Verbreitung der Teilentladungserkennung bisher eingeschränkt hat.
• Die SiC- und GaN-Wechselrichtertechnologie schafft neue Anforderungen an die Teilentladungsprüfung für Motorantriebe. Drehzahlvariable Antriebe mit Siliziumkarbid- oder Galliumnitrid-Schalttransistoren erzeugen Spannungsimpulse mit Anstiegszeiten von nur 10 Nanosekunden – vergleichbar mit der Anstiegszeit von Teilentladungsimpulsen. Die Trennung echter Teilentladungssignale von antriebsinduzierten Transienten in Elektrofahrzeug-Traktionsmotoren, Flugzeugaktuatoren und Hochspannungskabeln, die mit industriellen Servosystemen verbunden sind, ist ein aktives Forschungsgebiet der Sensor- und Filterentwicklung bis 2025–2026.

Vom DEMIKS-Ingenieurteam: Unser Team von Hochspannungsingenieuren hat die Marktentwicklung hin zu mehr Benutzerfreundlichkeit im Feld, zu weniger komplexen Mehrkomponenten-Prüfständen und zu Geräten beobachtet, die auch neue Techniker nach nur einem Tag Schulung bedienen und mit denen sie standardisierte, reproduzierbare Ergebnisse erzielen können. Die für Hochspannungskabel erforderlichen Prüfungen unterscheiden sich zwar von denen für Transformatoren oder GIS-Anlagen, aber der allgemeine Trend geht dahin, die Prüfungen selbst einfacher, automatisierter und weniger abhängig von den Fähigkeiten des einzelnen Prüfers zu gestalten. Dieses Bestreben nach einfacheren, normkonformen Feldprüfungen leitete unsere Entwicklungsarbeit bei der Herstellung unserer automatisierten Teilentladungsprüfgeräte.

Häufig gestellte Fragen zur Teilentladungsprüfung