Technischer Bericht - Forschungsgemeinschaft für Elektrische
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Forschungsgemeinschaft für Elektrische Anlagen und Stromwirtschaft e. V. Technischer Bericht Übertragungsverhalten von HochstromMesseinrichtungen für transiente Ströme 292 Impressum Technischer Bericht Übertragungsverhalten von HochstromMesseinrichtungen für transiente Ströme 292 Veröffentlicht im September 2000 Nachdruck nur mit Genehmigung des Vorstandes Forschungsgemeinschaft für Elektrische Anlagen und Stromwirtschaft e. V. Hallenweg 40, 68219 Mannheim Tel. 0621/8047-101, Fax 0621/8047-113 Internet: http://www.fgh-ma.de E-Mail: [email protected] Seite 2 Inhaltsverzeichnis 1 Vorbemerkung 4 2 Einführung 5 3 Entwicklung des Kalibriergenerators 7 4 Messnormal und Messeinrichtung 14 5 Fourier-Transformation und Transferfunktion 15 6 Messung der Transferfunktion 17 6.1 6.2 6.3 7 Messungen an Shunts Messungen an Stromwandlern Messungen an Rogowski-Stromwandlern Ansatz einer Kalibrierung 7.1 7.2 7.3 17 19 22 25 Ermittlung der Maßstabsfaktoren Ermittlung der Nichtlinearität Abschätzung der Messunsicherheiten 26 27 31 8 Zusammenfassung und Ausblick 33 9 Literatur 35 10 Anhang 36 Seite 3 1 Vorbemerkung Im vorliegenden Bericht wird die Entwicklung eines Kalibriergenerators für Hochstrom-Messeinrichtungen und der dazugehörigen Auswertesoftware beschrieben. Dieser Kalbriergenerator erzeugt einen Rechteck-Stromsprung bis über 800 A und ermöglicht durch den Vergleich des Eingangssignals mit der Sprungantwort der Messeinrichtung die Ermittlung der Maßstabsfaktoren für die Messeinrichtung in einem weiten Frequenzbereich. Mit dieser Methode wurden analog zu den bestehenden Vorschriften für die Kalibrierung von Hochspannungs-Messeinrichtungen ein Shunt und ein Wandler kalibriert. Diese Art der Kalibrierung mag als Ansatz für künftige Normungen auf dem Gebiet der Hochstrom-Kalibrierungen gelten. Die Entwicklung, der Aufbau und die Erprobung des Kalibriergenerators wurde aus den Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen “Otto von Guericke” (AiF) e.V. gefördert. Das Forschungsvorhaben hatte die AiF-Nummer 11359N. Es wurde in weiten Teilen von Herrn Hans-Joachim Köster ausgeführt, der auch diesen Bericht erstellte. Seite 4 2 Einführung Um zu erreichen, dass bei Produktzertifizierungen national und europaweit die gleichen Qualitätsmaßstäbe angewandt werden, ist es notwendig, dass die dabei verwendeten Messmittel einer einheitlichen Qualitätssicherung unterworfen werden. Die für Qualitätsmanagementsysteme geltende Europanorm EN 29000 Serie – identisch mit der weltweit geltenden ISO 9000 – verlangt für alle auf diesem Gebiet eingesetzten Messeinrichtungen die Rückführbarkeit auf nationale Messnormale, sofern diese Messnormale vorhanden sind. Der Begriff Rückführbarkeit besagt, dass bei der Kalibrierung eines Messgerätes oder Messsystems dessen Messergebnis mit dem Messergebnis eines Messnormals verglichen wird, dass zuvor mit einem höherrangigen Messnormal kalibriert wurde. So entsteht eine Kalibrierhierarchie, an deren Spitze das nationale Messnormal steht. Dabei wächst mit jedem Kalibrierschritt innerhalb dieser Hierarchie die Unsicherheit, mit der sich die Messabweichung des zu kalibrierenden Gerätes feststellen läßt. Die bei den Kalibrierungen anzuwendenden Verfahren und die Anforderungen an die dabei einzuhaltenden Messunsicherheiten werden in internationalen oder europäischen Normen festgelegt. Kalibrierungen von Hochspannungsmessgeräten werden nach der EN 60060-2 (IEC 10060-2) [1] durchgeführt. Dabei werden – je nach dem Einsatzgebiet des Messgerätes – die Kalibrierungen für die verschiedenen genormten Stoßspannungen sowie Gleich- und Wechselspannung einzeln durchgeführt. Für die Kalibrierung von Hochstrommessgeräten existiert eine entsprechende Norm noch nicht, nur Grenzen für die Messunsicherheiten bei Hochstrommessungen werden in der STL Procedure No. 3 [2] angegeben. Im Gegensatz zu den Anforderungen in der EN 60060-2, die für eine einzelne Spannungsart definiert sind, gelten die Anforderungen in der STL Procedure No. 3 für ganze Frequenzbereiche, die je nach der Art des zu messenden Stromes festgelegt wurden. Der Nachweis, dass eine geforderte Genauigkeit über einen gewissen Bereich eingehalten wird, erweist sich ohne den Einsatz spezieller mathematischer Hilfsmittel naturgemäß als schwierig und aufwendig. Mit Hilfe der Fourier-Analyse läßt sich allerdings ein im Zeitbereich gemessenes Signal in Sinus- und CosinusFunktionen verschiedener Frequenzen zerlegen. Ermittelt man also für das Eingangssignal und das Ausgangssignal eines Messsystems diese sogenannten Seite 5 Fourier-Koeffizienten und vergleicht sie frequenzweise miteinander, läßt sich eine Aussage über das Übertragungsverhalten des Messsystems im betrachteten Frequenzbereich treffen. Da die Erfassung von Messsignalen im Zeitbereich mit Transientenrekordern heutzutage Stand der Technik ist, wurde auf dieser Basis eine Kalibriereinrichtung für Hochstrommessgeräte entwickelt. Eine Voraussetzung für diese Art der Kalibrierung über einen Frequenzbereich ist allerdings, dass im Eingangssignal alle gewünschten Frequenzen mit für eine Berechnung ausreichenden Amplituden auftreten. Aus mathematischer Sicht ideal wäre die Verwendung eines Dirac-Impulses, eines einzelnen unendlich kurzen Impulses einer gewissen Höhe. Dieser Impuls enthält – im Frequenzbereich betrachtet – alle Frequenzen von Null bis Unendlich mit Amplituden in gleicher Höhe [3]. Technisch lässt sich dieser Impuls jedoch nicht realisieren. Das nächstbeste Eingangssignal ist das Integral des Dirac-Impulses, ein Rechtecksprung. Die Amplituden der Frequenzanteile des Rechtecksprunges fallen zwar bei steigenden Frequenzen mit dem Kehrwert der Frequenz gegen Null, im unteren Frequenzbereich sind sie aber noch groß genug, um einen vernünftigen Vergleich von Eingangs- und Ausgangssignal zu ermöglichen. Daher wurde ein Kalibriergenerator entworfen, der einen Stromsprung mit einer für die anschließenden Berechnungen ausreichenden Höhe von ca. 800 A erzeugt, welcher einem Rechtecksprung möglichst nahe kommt. Dazu wurde die Software entwickelt, die den Vergleich des Eingangs- mit dem Ausgangssignal und somit eine Kalibrierung ermöglicht. Auf der Basis der im Laufe dieses Forschungsvorhaben gesammelten Erfahrungen wurden abschließend analog zu den in EN 60060-2 beschriebenen Verfahren für die Kalibrierung von Hochspannungsmessgeräten ein Hochstrom-Shunt und ein Hochstrom-Wandler kalibriert. Diese Art der Kalibrierung von Strommessgeräten mag als Anregung für künftige Normungen auf diesem Gebiet dienen. Seite 6 3 Entwicklung des Kalibriergenerators Ziel der Entwicklung war ein Strom-Generator, der in der Lage sein sollte, einen möglichst steilen, rechteckförmigen Stromsprung mit einer Amplitude von ca. 1000 A zu liefern. Hohe und steile Stromsprünge lassen sich nicht einfach durch das Zuschalten eines aus dem Drehstrom-Netz gespeisten Brücken-Gleichrichters erzeugen. Das Konzept für die Entwicklung des Kalibriergenerators sah deswegen vor, zunächst einen Gleichstrom in einem Kurzschlusskreis fließen zu lassen, und diesen dann in den eigentlichen Prüfkreis umzuschalten. Damit diese Umschaltung genügend schnell erfolgt, wurde in der Gleichstromerzeugung eine ausreichend groß dimensionierte Drosselspule vorgesehen. Diese Drosselspule dient zum einen der Glättung des Gleichstroms, zum anderen sorgt sie als Energiespeicher dafür, dass nach der Umschaltung der zuvor im Kurzschlusskreis fließende Strom als eingeprägter Strom auch dann rasch auf den Prüfkreis kommutiert, wenn dieser induktive Anteile aufweist. Der Gleichstrom wird von einem geregelten 6-pulsigen Brücken-Gleichrichter (Bild 3.1, T1 bis T6) - Nennstrom 1200 A - erzeugt. Dieser Gleichrichter wird über einen 35-kVA-Transformator (Tr) mit einer von 16 bis 22 V einstellbaren Spannung aus dem 400-V-Drehstrom-Netz versorgt. Der Gleichstrom wird anschließend durch die Drosselspule Lg geglättet. Die in der Gleichrichterbrücke integrierte Freilaufdiode Db dient zu deren Schutz. Bild 3.1 Schaltbild der Gleichstromerzeugung Die Steuerung der Gleichrichter-Brücke wird über einen Drehstrom-Anschluss mit dem Netz sychronisiert. Die Sollwerte für die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom sind an der Brücken-Steuerung einstellbar. Die Brücken-Steuerung regelt Ausgangsstrom und -spannung nach einem Vergleich dieser Sollwerte mit dem Istwert der Brückenspannung Ub und dem Istwert des über einen Shunt gemessenen Brückenstroms Ib durch eine entsprechende Phasenanschnitt-Steuerung der einzelnen Thyristoren. Seite 7 Die Umschaltung des Gleichstroms Ib vom Kurzschlusskreis (Ik) des Kalbiriergenerators in den Prüfkreis (Ip) erfolgt mittels zweier IGBT-Module (Bild 3.2, M1 und M2) mit einer Nennspannung von 1400 V und einem Nennstrom von 1200 A. Im praktischen Einsatz kann der angegebene Nennstrom aus Gründen der thermischen Belastbarkeit der IGBTs jedoch nicht ausgenutzt werden. Zum Schutz der IGBTModule wurde die maximale Höhe des Stromsprungs auf ca. 800 A begrenzt. Bild 3.2 Schaltbild der Stromumschaltung mittels IGBT-Modulen Für die Erzeugung des Stromsprungs wird zunächst der Schalter S1 des Moduls M1 im Kurzschlusszweig geschlossen und über die Brückensteuerung der gewünschte Strom eingestellt. Dann wird der Schalter S1 geöffnet und gleichzeitig der Schalter S2 geschlossen. Die Kommutierungskapazität Ck dient während der Umschaltung als Energiespeicher für den Strom, der fließt, solange S1 schon geöffnet, der Strom aber noch nicht vollständig in den Prüfzweig kommutiert ist. Sollte der Kommutierungsvorgang zu lange dauern und dadurch die Spannung an Ck zu groß werden, übernehmen die Varistoren Ü1 und gegebenenfalls Ü2 den Strom und begrenzen damit die Spannung an den IGBT-Modulen. Am Ende des Stromsprunges wird S1 wieder geschlossen und dann S2 geöffnet. Im Prüfling gespeicherte Energie wird dabei über die Kurzschlussdiode D2 und den Widerstand Rv vernichtet. Die Umschaltung eines von einer Induktivität getriebenen 800-A-Stromes ist naturgemäß nicht unproblematisch, weswegen der Ansteuerung der Module auch besondere Sorgfalt gewidmet wurde. Die Spannungsversorgung der IGBT-Module erfolgte einzeln über Schaltnetzteile mit galvanischer Trennung, die aus EMVGründen direkt auf den Modulen montiert waren. Auch bei der Ansteuerung der Module wurde auf eine galvanische Trennung durch Einsatz von Optokopplern geachtet. Die Platinen mit den Optokopplern wurden direkt auf die Eingäge der Module gesteckt. Bei der Auswahl der verwendeten Optokoppler wurde besonders darauf geachtet, dass ihre Ein- und Ausschaltverzögerungen identisch waren. Die Auslösung der Umschaltungen wird über prellfreie Schalter von einer zentralen Einheit aus gesteuert. Seite 8 Wie gut die IGBTs den Strom umschalten können, zeigt das in der Entwicklungsphase mit einer etwas anderen Schaltung aufgenommene Bild 3.3. Der 260-AStromsprung wurde mit einem digitalen Speicher-Oszilloskop mit 20 MHz Bandbreite aufgezeichnet und hatte eine Anstiegszeit von ca. 400 ns, was in Bezug auf die für die genannte Aufgabenstellung zu stellenden Anforderungen hinsichtlich der zu erreichenden Frequenzbandbreite als sehr schnell betrachtet werden kann. Bild 3.3 In der Entwicklungsphase des Kalibriergenerators erzeugter 260-A-Stromsprung Bild 3.4 820-A-Stromsprung des fertiggestellten Kalibriergenerators Seite 9 Der 800-A-Stromsprung in Bild 3.4 wurde mit der endgültigen Version des Kalibriergenerators erzeugt. Gemessen wurde er mit einem Transientenrekorder, der mit einem 1,3-MHz-Antialiasing-Filter ausgerüstet war. Die tatsächliche Anstiegszeit des Sprunges liegt bei ca. 700 ns, die mit dem Filter gemessene Anstiegszeit von ca. 1 µs ist aber immer noch kurz genug für eine gute Auswertung des Sprunges. Das Überschwingen im Bereich bis 7 µs begründet sich darin, dass beim Kommutieren des Stromes vom Kurzschlusskreis in den Prüfkreis eine Überspannung entsteht, die die Kommutierungskapazität Ck und andere parasitäre Kapazitäten auflädt. Diese Kapazitäten entladen sich anschließend im angegebenen Zeitraum. Leider verbirgt das mit einer schnellen Abtastrate aufgezeichnete Bild 3.4 eine weitere Problematik. Betrachtet man die Schaltung in Bild 3.2, so sieht man, dass die Impedanzen des Kurzschluss- und des Prüfkreises wegen der zusätzlichen Impedanz des Prüflings unterschiedlich sind. Solange der Strom im Prüfkreis aus dem noch vollen Energiereservoir der Glättungsdrossel gespeist wird, hat dieser Unterschied keine Bedeutung. Mit dem Abklingen des Stromes aus der Drossel muss jedoch der Strom wieder von der Gleichrichter-Brücke geliefert werden, und diese muss den erzeugten Strom aufgrund der veränderten Impedanz nachregeln. Bild 3.5 160-A-Stromsprung mit langer Aufzeichnungsdauer Dass die Nachregelung des Stromes durch die Brückensteuerung nicht schnell genug ist, um das Absinken des Stromes aus der Drosselspule vollständig auszugleichen, zeigt der Stromeinbruch bei 100 ms in Bild 3.5. Theoretisch ließe sich dieser Stromeinbruch dadurch verhindern, dass man in den Kurzschlusskreis die gleichen Impedanzen einfügt wie in den Prüfkreis. Dies würde jedoch ein Anpassen des Kalibriergenerators an den jeweiligen Prüfling vor jedem Kalibriervorgang erfordern. Seite 10 Weitere Parameter, die die Form des Rechtecksprunges beeinflussen, sind seine Amplitude (Bild 3.6), Länge und Querschnitt der Zuleitung (Bild 3.7) und die Welligkeit des Gleichstromes. Der Einfluß der Stromhöhe auf die Anstiegszeit des Stromsprunges ist relativ klein. Vergrößert man die Stromhöhe von 200 A auf 800 A ( jeweils ohne Überschwingen), so wird der Scheitel statt nach 1 µs nach 1,5 µs erreicht. Das Überschwingen durch die Aufladung der Kapazitäten in der Schaltung wird mit zunehmender Stromhöhe kürzer. Das liegt daran, dass die bei der Kommutierung erzeugten Überspannungen hoch genug werden, um die Varistoren ansprechen zu lassen, die dann der Schaltung Energie entziehen. Wird der Prüfling nicht direkt sondern über eine längere Zuleitung an den KalibierGenerator angeschlossen, so wird durch deren zusätzliche Induktivität die Kommutierungsdauer vergrößert (Bild 3.7). Der durch die Zuleitung erhöhte ohmsche Widerstand im Prüfkreis vergrößert gleichzeitig die Entladezeitkonstante der Kommutierungskapazität Ck, wodurch das Überschwingen prinzipiell etwas verlängert wird. Bei gleichen Zuleitungslängen bewirkt eine Verringerung des Querschnittes der Zuleitung und damit eine Vergrößerung des Widerstandes keine merkbare Änderung der Anstiegszeit, bedingt durch den höheren Widerstand sinkt allerdings der Scheitelwert des Stromes etwas ab (Kurven b und c in Bild 3.7). Durch die längere Kommutierungsdauer steigen auch Dauer und Höhe der dabei entstehenden Überspannungen, die zum Teil schon durch die Varistoren begrenzt werden. Das Ansprechen der Varistoren bewirkt, wie schon oben erwähnt, durch den damit verbundenen Energieentzug eine Verkürzung des Überschwingens des Stroms. Bild 3.6 Abhängigkeit der Anstiegszeit von der Höhe des Stromsprungs Seite 11 Bild 3.7 Abhängigkeit der Anstiegszeit von Länge und Querschnitt der Zuleitung Die Stromsprünge wurden mit folgenden Zuleitungen gemessen (in der Reihenfolge der Höhe des Scheitelwertes): - a: direkter Anschluss des Shunts ohne Zuleitung, - b: 1 m Zuleitung, 120 mm2, - c: 1 m Zuleitung, 50 mm2, - d: 2,5 m Zuleitung, 70 mm2, - e: 7,2 m Zuleitung, 70 mm2, - f: 11,3 m Zuleitung, 60 mm2. Die Vergrößerung der Anstiegszeit von ca. 1 µs bei direktem Anschluss des Shunts auf ca. 3,5 µs bei 11 m Zuleitung ist für den bei den Messungen interessierenden Frequenzbereich unkritisch, bei Messungen an Rogowski-Stromwandlern kann sie sogar zu einer Verbesserung der Messergebnisse führen (siehe Abschnitt 6.3). Die Welligkeit des Gleichstromes zeigt sich in Bild 3.5 als breites Band ab 0 µs. Eine Überprüfung der Welligkeit des Dauerstromes der Gleichrichter-Brücke bei einer Stromstärke von ca. 750 A ergab, dass sich bei einer Aufzeichnungszeit von 2 Sekunden Maximum und Minimum des Stromes um 7,4 A unterschieden, d.h. der Strom lag in einem Toleranzband von ± 0,5 %. Bei der Konzeption des Kalibier-Generators war angedacht worden, ein einheitliches, für alle zu prüfenden Messeinrichtungen identisches Eingangssignal zu erzeugen. Aufgrund der geschilderten Ergebnisse wurde dieses Vorhaben jedoch fallen gelassen, und es wurde beschlossen, stattdessen zusätzlich zur Messung des Ausgangssignals des Prüflings ein Messnormal für die Messung des Eingangssignals in den Prüfkreis einzuschleifen. Seite 12 Bild 3.8 Mechanischer Aufbau des Kalibier-Generators Bild 3.8 zeigt den mechanischen Aufbau des Kalibriergenerators. Vorne links ist die Brücken-Steuerung zu erkennen, links dahinter die Gleichrichter-Brücke. In der Mitte des Tisches befinden sich die beiden mit Lüftern ausgerüsteten IGBT-Module, das linke im Kurzschlusskreis, das rechte im Prüfkreis. Hinten rechts ist der Ausgang des Prüfkreises mit dem angeschlossenen Shunt für die Referenzmessung des Stromsprunges. In einem Stahlgestell unter der im Foto zu sehenden Tischplatte wurden der Netztransformator, die Drosselspule für die Glättung des Gleichstromes und ein Schaltkasten für den Netzanschluss eingebaut. Der Kalibriergenerator hat eine Grundfläche von 1,0 x 1,2 m2 bei eine Höhe von 1,1 m und einem Gewicht von ca. 320 kg. Er ist mit einem Hubwagen verfahrbar. Der Netzanschluss erfolgt über einen 50-A-CEE-Stecker. Seite 13 4 Messnormal und Messeinrichtung Als Messnormal für die Messung des Stromsprunges wurde ein Reusenshunt mit einem ohmschen Widerstand von 2,54mΩ verwendet. Dieser von der FGH gebaute kleine und induktivitatsarme Shunt mit koaxialem Aufbau ist rückführbar kalibriert. Er wurde schon als FGH-Referenz im Rahmen des EU-Projektes über die Rückführbarkeit von Strommessgeräten [4] eingesetzt und hat dort seine Tauglichkeit für die Beurteilung der Messgenauigkeit anderer Hochstrom-Messgeräte bewiesen. Der Nachteil dieses Shunts liegt in seiner verhältnismäßig geringen thermischen Belastbarkeit: bei einer Stromflußdauer von 0,8 s kann er mit bis zu 800 A belastet werden, bei einer Stromflußdauer von 2,5 s ist er noch mit 450 A belastbar und bei 10 s Stromfluss darf die Höhe des Stroms nur noch 250 A betragen. Deshalb muss für die Messung höherer Ströme bei längerer Stromflussdauer ein (räumlich) größerer 1-mΩ-Shunt mit einer Dauerbelastbarkeit von ca. 2000 A eingesetzt werden, der - wie weiter unten beschrieben - mit dem Messnormal kalibriert wurde. Die von Messnormal und Prüfling gemessenen Signale wurden mit einem 2-kanaligen Nicolet-Transientenrekorder mit einer Auflösung von 12 bit bei einer höchsten Abtastrate von 10 MSamples/s aufgezeichnet. Bei den Messungen wurden im allgemeinen Abtastraten von 10 MSamples/s und 100 kSamples/s benutzt. Bei der höheren Abtastrate wurde der eingebaute Antialiasing-Filter mit einer Grenzfrequenz von 1,3 MHz benutzt, bei der niedrigen Abtastrate kam ein externer Filter mit einer Grenzfrequenz von 10 kHz zum Einsatz. Die Messdaten wurden über eine GPIB-Bus-Verbindung zu einem PC übertragen und dort abgespeichert und ausgewertet. Seite 14 5 Fourier-Transformation und Transferfunktion Die Fourier-Transformation ist ein mathematisches Werkzeug, mit welchem ein im Zeitbereich gemessenes Signal in einzelne Sinus- und Cosinus-Funktionen zerlegt werden kann, die aufsummiert wieder das Originalsignal ergeben. Die Fouriertransformierte von f(t) ist definiert als: T F( jω) = ∫ f ( t ) ⋅ e − jωt dt 0 Für die Auswertung eines Signals, das mit einem Transientenrekorder mit einer konstanten Abtastzeit ∆t und einer Signallänge von N Punkten aufgezeichnet wurde, benutzt man die diskrete Fourier-Transformation: N −1 FK = ∆t ⋅ ∑ f (n ) ⋅ e − j2 πnk N n =0 Sieht man vom Gleichstromglied ab, so hängt die unterste auswertbare Frequenz f1 – die sogenannte Grundfrequenz – von der Dauer N·∆t des betrachteten Signals ab: f1 = 1 N ⋅ ∆t Bei einer Messung mit einem Transientenrekorder mit konstanter Abtastzeit ∆t ist die hochste auswertbare Frequenz abhängig von dieser Abtastzeit: f max = 1 2 ⋅ ∆t Die im Bereich von f1 bis fmax auswertbaren Frequenzen sind dabei ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz f1. Ist g(t) das Ausgangssignal eines Messwertumformers und f(t) sein Eingangssignal, so kann man seine Übertragungsfunktion H( jω) berechnen, indem man die Fouriertransformierten dieser Signale G( jω) und F( jω) frequenzweise durcheinander teilt: H( jω) = G ( jω) F( jω) Bei einer Kalibrierung nach EN 60060-2 wird der Maßstabsfaktor MF eines Hochspannungsteilers durch den Vergleich seines Messergebnisses Umess mit dem Messergebnis eines Referenzteilers Uref ermittelt: MF = U ref U mess Setzt man jetzt das Eingangssignal des Messwertumformers f(t) gleich dem Messergebnis des Referenzteilers Uref und dessen Ausgangssignal g(t) gleich dem Messergebnis des Hochspannungsteilers Umess, so sieht man, dass der bei einer Kalibrierung ermittelte Maßstabsfaktor dem Kehrwert der Übertragungsfunktion entspricht. Das bedeutet, dass der Kehrwert der Transferfunktion bei nur einer Messung die für die Kalibrierung nötigen Maßstabsfaktoren in einem weiten Frequenzbereich liefern kann. Seite 15 Voraussetzung für diese Art der Kalibrierung über einen Frequenzbereich ist allerdings, dass im Eingangssignal alle gewünschten Frequenzen mit für eine Berechnung ausreichenden Amplituden auftreten. Aus mathematischer Sicht ideal wäre die Verwendung eines Dirac-Impulses, eines einzelnen unendlich kurzen Impulses einer gewissen Höhe. Dieser Impuls enthält – im Frequenzbereich betrachtet – alle Frequenzen von Null bis Unendlich mit Amplituden in gleicher Höhe. Technisch lässt sich dieser Impuls jedoch nicht realisieren. Das nächstbeste Eingangssignal ist das Integral des Dirac-Impulses, ein Rechtecksprung. Die Amplituden der Frequenzanteile des Rechtecksprunges fallen zwar bei steigenden Frequenzen mit dem Kehrwert der Frequenz gegen Null, im unteren Frequenzbereich sind sie aber noch groß genug, um einen vernünftigen Vergleich von Eingangs- und Ausgangssignal zu ermöglichen. Um ein möglichst gutes Rechenergebnis zu erhalten, müssen die gemessenen Signale vor der Berechnung allerdings noch in dreierlei Hinsicht aufbereitet werden. Für die genaue Berechnung des Gleichstromgliedes der Messsignale ist es notwendig, den Nulloffset der gemessenen Signale zu korrigieren. Dazu bildet man aus den Messpunkten der Nullinie der Signale vor dem eigentlichen Sprung den Mittelwert und zieht diesen von den gesamten Messsignalen ab. Durch den für die Korrektur des Nulloffsets benötigten Vorlauf und die dadurch entstehende Zeitverzögerung des Rechtecksprungs im Messsignal wird bei der Fourier-Transformation ein Phasenwinkel eingefügt, der bewirkt, dass die Amplituden der Fourier-Koeffizienten je nach Größe des Winkels häufiger die Polarität wechseln, wobei die Amplituden um die Nulldurchgänge herum klein werden können. Der dadurch mögliche Verlust an Rechengenauigkeit kann vermieden werden, indem man die Auswertung der Messsignale erst kurz vor dem Anstieg des Rechteckstromes beginnen lässt. Da die Fourier-Transformation für die Analyse periodischer Funktionen gedacht ist, ist es sinnvoll, beide Messsignale punktweise im Zeitbereich mit einer sogenannten Fensterfunktion zu multiplizieren, die dafür sorgt, dass aus dem nichtperiodischen Messsignal ein periodisches wird. Bei impulsförmigen Anregungen wie z.B. bei einem Rechtecksprung ist ein exponentiell abklingendes Fenster sehr gut geeignet [5]. Diese Art des Fensters dämpft hauptsächlich die bei einem Rechtecksprung relativ großen Frequenzanteile im unteren Frequenzbereich. Die Parameter der Fensterfunktion wurden so gewählt, dass der Mulitplikationsfaktor von 1 zur Zeit t = 0 auf 0,0001 zur Zeit t = N·∆t abfiel. Natürlich bedeutet der Einsatz einer Fensterfunktion, dass die gemessenen Signale “verfälscht” werden. Die Multiplikation zweier Signale im Zeitbereich bedeutet eine Faltung dieser Signale im Frequenzbereich. Weil dadurch die Frequenzanteile beider Originalsignale für die einzelnen Frequenzen mit dem gleichen Faktor multipliziert werden, kürzen sich diese Faktoren bei der Berechnung der Transferfunktion wieder heraus, so dass das Endergebnis durch den Einsatz der Fenstertechnik nicht beeinflusst wird. Seite 16 Die Berechnungen der Fourier-Transformierten wurden mit dem am MIT entwickelten Software-Paket “FFTW” [6] vorgenommen, für die Aufbereitung der Messsignale und die Berechnung und Darstellung der Transferfunktionen wurde die Software bei der FGH entwickelt. 6 Messung der Transferfunktion Im Rahmen dieses Projektes wurden mehrere Shunts, Stromwandler und RogowskiStromwandler untersucht. Um die Übersichtlichkeit dieses Berichtes zu gewährleisten, wurden die Oszillogramme aller Messungen in einem Anhang (Abschnitt 10) zusammengefasst. Um den Einfluss von Zuleitungen zu minimieren wurden die untersuchten StromMessgeräte bis auf Ausnahmefälle (Anhang, Abschnitt 10.3, 10.6.2 und 10.7.2) mit möglichst kurzen Zuleitungen (Gesamtlänge unter 0,6 m) an den Kalibriergenerator angeschlossen. 6.1 Messungen an Shunts Es wurden Messungen mit zwei verschiedenen Shunts durchgeführt. Der eine war ein gekapselter Hochstrom-Shunt (L 144101, Abschnitt 10.1), der andere ein normaler Stäbchen-Shunt (L 144103, Abschnitt 10.2) für Ströme bis 1 kA. Beide Shunts reagieren auf einen positiven Stromsprung mit dem gleichen Verhalten, sie messen zunächst einmal eine negative Stromspitze (Bild 10.1.1.1 und 10.2.1). Beim Hochstrom-Shunt wurde dieses Verhalten näher untersucht. Dazu wurde der Shunt “falsch herum” in den Messkreis eingebaut, so dass ein positiver Stromsprung ein negatives Messsignal erzeugte. Die anfängliche Spitze blieb jedoch auch in dieser Schaltung negativ und wurde auf die Strommessung aufgesetzt. Das läßt darauf schließen, dass es sich bei der negativen Spannungsspitze um eine Einkopplung in den Spannungsmesszweig des Shunts handelt. Seite 17 Bild 6.1 Übertragungsfunktion des Hochstromshunts bis 500 kHz. Ein Blick auf den Verlauf der Übertragungsfunktion des Shunts bis hin zu hohen, für eine Kalibrierung nicht mehr interessierenden Frequenzen zeigt die Auswirkungen dieser Einkopplung (Bild 6.1). Die Messspannung am Hochstrom-Shunt hat einen negativen Phasenwinkel und eilt somit - bedingt durch die Zeitverzögerung im Einschwingvorgang - ständig der Messspannung des Messnormals nach. Im Bereich bis 50 kHz liegt der Betrag der Übertragungsfunktion geringfügig unter 1, während er zu den hohen Frequenzen hin stark ansteigt. Dies liegt daran, dass das Signal des Hochstrom-Shunts Schwingungen und somit Frequenzanteile aufweist, die im Signal des Messnormals in dieser Form nicht vorhanden sind. Ein Blick in den Anhang zeigt, dass die Messabweichung dieses Shunts bei Frequenzen bis 25 kHz deutlich unter 1 % liegt, bei einem Phasenwinkel von weniger als 7°. Das Verhalten des Shunts ist somit als gut zu betrachten. Anders sieht es bei dem Stäbchen-Shunt aus, der aufgrund seiner hohen parasitären Induktivitäten das eben beschriebene Verhalten in sehr viel deutlicherem Maße aufweist und deshalb nur bei niedrigen Frequenzen sinnvoll eingesetzt werden kann. Beim Stäbchen-Shunt macht sich auch die fehlende Schirmung bemerkbar, es werden deutlich mehr Störungen in das Messsignal eingekoppelt als beim Hochstrom-Shunt. Diese Einkopplungen führen dazu, dass die berechneten Übertragungsfunktionen des Stäbchen-Shunts nicht ganz so gleichmäßig verlaufen wie die des Hochstrom-Shunts. Da das verwendete Messnormal nur eine begrenzte Stromtragfähigkeit hat, wurde am Hochstrom-Shunt untersucht, inwiefern er sich unter Berücksichtigung seiner Übertragungsfunktion als zweites Messnormal für höhere Ströme einsetzen lässt. Seite 18 Dazu wurden bei schnellen Ablenkzeiten Stromsprünge mit 100, 275, 450, 625 und 800 A Stromhöhe aufgezeichnet. Die aus diesen Messungen gewonnenen Übertragungsfunktionen sind praktisch identisch, so dass nichts gegen einen derartigen Einsatz spricht, und somit auch ein Einsatz des Kalibriergenerators bei höheren Strömen und langen Ablenkzeiten möglich ist. 6.2 Messungen an Stromwandlern Drei verschiedene Stromwandlertypen wurden untersucht: ein fest im Hochstromlabor eingebauter Stromwandler (L 143108, Anhang 10.3) mit dem Ströme bis 160 kA gemessen werden, ein Durchsteck-Stromwandler mit einem Nennstrom von 3500 A und einem Mess- und einem Schutzkern (L 143603, Anhang 10.4), und ein umschaltbarer 30-kV-Stromwandler mit einem maximalen Nennstrom von 400 A (L 143128, Anhang 10.5). Die Stromwandler hatten ohmsche Bürden, an denen die Spannung gemessen wurde. Vor jeder Messung wurden die Stromwandler entmagnetisiert. Alle drei Wandler zeigen ein unterschiedliches Einschwingverhalten als Reaktion auf den Rechtecksprung. Der im Labor fest eingebaute Wandler folgt dem Eingangssignal mit einer gewissen Verzögerung ohne ausgeprägte Spannungsspitzen (Bild 10.3.1-1). Während der Messkern des Durchsteck-Stromwandlers auf den positiven Stromsprung in der Front mit einer positiven Spannungsspitze antwortet (Bild 10.4.1-1), zeigen die Messungen am Schutzkern dieses Wandlers (Bild 10.4.2-1) sowie alle Messungen am 30-kV-Stromwandler (Bild 10.5.1-1) zunächst – wie auch die Shunts – eine negative Spitze. Danach schwingen sich die Wandler auf den mit dem Referenz-Shunt gemessenen Strom ein. Betrachtet man das Verhalten der Wandler im Frequenzbereich bis 500 kHz, so zeigt sich, dass die Übetragungsfunktion des im Labor eingebauten Wandlers bei Frequenzen über 200 kHz stark verrauscht ist. Bild 6.2 Übertragungsfunktion des fest eingebauten Laborwandlers bis 500 kHz Seite 19 Während alle anderen Wandler unter Laborbedingungen mit kurzen Anschlüssen zum Kalibriergenerator gemessen wurden, mussten bei dieser Messung Anschlussleitungen mit ca. 3 m Länge verwendet werden, um die Entfernung vom Kalibriergenerator zum Wandler zu überbrücken. Außerdem konnte der Wandler wegen seines festen Einbaus nicht völlig freigeschaltet werden, an seinen Anschlüssen waren noch leerlaufende Stromschienen mit ca. 4 m und ca. 15 m Länge befestigt. Das verstärkte Rauschen lässt sich auf Reflektionen und möglicherweise Antennenwirkung in diesem System zurückführen. Der negative Phasenwinkel beruht auch hier auf der Zeitverschiebung zwischen den Messsignalen des Messnormals und des Laborwandlers. Der Messkern des Durchsteck-Stromwandlers antwortet auf einen Rechtecksprung zunächst mit einer positiven Spannungsspitze. Dass somit seine Messspannung der Messspannung des Messnormals vorauseilt, zeigt sich am positiven Phasenwinkel seiner Übertragungsfunktion (Bild 6.3). Auch hier bewirken Einstreuungen im Spannungsmesszweig des Wandlers ein Ansteigen des Betrages der Übertragungsfunktion bei hohen Frequenzen. Der 30-kV-Stromwandler zeigt im Frequenzbereich bis 70 kHz ein ähnliches Übertragungsverhalten wie der Durchsteck-Stromwandler, danach macht sich das Nacheilen seiner Messspannung aufgrund der negativen Spannungsspitze im Einschwingvorgang bemerkbar, wobei ein Blick auf den unregelmäßigen Verlauf des Betrags der Übertragungsfunktion zeigt, dass hier sicher auch noch andere Vorgänge eine Rolle spielen (Bild 6.4). Bild 6.3 Übertragungsfunktion des Messkerns des Durchsteck-Stromwandlers bis 500 kHz Seite 20 Bild 6.4 Übertragungsfunktion des 30-kV-Stromwandlers (400-A-Schaltung) bis 500 kHz Im Zeitbereich zeigen der Messkern des Durchsteck-Stromwandlers und der 30-kVStromwandler bei Messungen mit langsamen Abtastzeiten ähnliches Verhalten (Anhang, Bild 10.4.1-4 und 10.5.1-4). Nach ca. 300 bis 400 ms ist die Sprungantwort auf Null abgesunken, die zugehörigen Übertragungsfunktionen (Anhang, Bild 10.4.1-5 und Bild 10.5.1-5) lassen erkennen, dass unterhalb von ca. 10 Hz mit diesen Wandlern keine sinnvollen Messungen mehr möglich sind. Anders sieht es beim Laborwandler und beim Schutzkern des Durchsteck-Stromwandlers aus (Bild 10.3.1-4 und 10.4.2-4). Ihre Messwerte sind auch nach ca. 2 s erst auf grob 80 % des Referenz-Messwertes abgesunken, und den Übertragungsfunktionen kann man entnehmen, dass beim Durchsteck-Stromwandler bis unter 5 Hz, beim Laborwandler sogar bis 1 Hz mit relativ guten Messergebnissen zu rechnen ist. Letzteres ist dadurch begründet, dass es sich hierbei um einen Linearstromwandler mit Luftspalten im Eisenweg handelt, der speziell für die Messung verlagerter Kurzschlussströme im Prüffeld eingesetzt wird [7]. Dieses gute Übertragungsverhalten bei tiefen Frequenzen geht beim Schutzkern des Durchsteck-Stromwandlers auf Kosten des Übertragungsverhaltens bei höheren Frequenzen. Ab ca. 9 kHz misst der Wandler 3 % weniger als der Referenz-Shunt (Anhang, Bild 10.4.2-3), während der Laborwandler bei einer Frequenz von 25 kHz noch weit unter dieser Fehlergrenze liegt (Anhang, Bild 10.3.1-3). Bei dem 30-kV-Stromwandler sind die Frequenzen, für die der Betragsfehler größer als 3 % wird, von der verwendeten Wandler-Schaltung abhängig. Im unteren Frequenzbereich wartet dieser Wandler ab ca. 15 bis 20 Hz mit guten Messergebnissen auf, im hohen Frequenzbereich weicht er bei Frequenzen von ca. 6 bis 14 kHz um mehr als 3 % vom Messnormal ab. Seite 21 6.3 Messungen an Rogowski-Stromwandlern Die Messergebnisse für die beiden untersuchten Rogowski-Stromzangen AEG SZ 30 (L 143617) und Habemus Rocoil 500N (L 143624) sind im Anhang unter Abschnitt 10.6 und 10.7 zu finden. Das grundsätzliche Problem der Prüfung von Rogowski-Stromwandlern mit einem Strom-Rechtecksprung lässt sich in Bild 6.5 erkennen. Da die Rogowski-Spule den zu messenden Strom differenziert, wäre die Sprungantwort einer idealen RogowskiSpule auf einen idealen Rechtecksprung des Stromes ein einzelner Dirac-Impuls. Leider sind die Rogowski-Spulen nicht ideal, während der erzeugte Stromsprung doch sehr steil ist. So zeigt sich in Bild 6.5, dass die von der Rogowski-Spule gemessene Spannung mit dem Differential des Stromes auf den ersten Blick wenig gemeinsam hat. Im Bereich bis ca. 20 µs sieht man eine abklingende Schwingung und nach einer Zeit von ca. 40 µs ist die Rogowski-Spannung dann so klein geworden, dass sie kaum die Strichstärke des Gitters im Oszillogramm überschreitet. Integriert man jedoch die Rogowski-Spannung (Bild 6.6), so sieht man, dass trotz aller Schwingungen der so errechnete Strom nach ca. 20 µs mit dem vom Shunt gemessenen Strom dennoch gut übereinstimmt. Mess- und auswertetechnisch ergeben sich aus diesem Verhalten mehrere Probleme. Zum einen muss die Abtastrate des verwendeten Transientenrekorders so hoch sein, dass die anfänglichen Schwingungen möglichst genau erfaßt werden, zum anderen soll die Aufzeichnungsdauer so hoch sein, dass die Fourieranalyse auch noch Aussagen über das Verhalten bei niedrigen Frequenzen zuläßt. Hinzu kommt, dass die numerische Integration der Spannung mit steigender Zahl der Messpunkte durch das Rauschen des vom Transientenrekorder aufgezeichneten Signals ungenau wird. Eine Lösung, die allen drei Problemen gerecht wird, konnte leider nicht gefunden werden. Der verwendete Transientenrekorder hat eine schnellste Abtastzeit von 100 ns bei einer maximalen Speichertiefe von 256 k. Die schnelle Abtastzeit ist ausreichend, um die ersten Schwingungen der Spannung genau genug aufzeichnen zu können. Beim Strom als Integral der Spannung sieht man allerdings schon in Bild 6.7, dass nach einigen Millisekunden der direkt gemessene Strom und der integrierte Strom auseinanderlaufen. Da nicht sicher bestimmt werden kann, ob diese Abweichung durch eine Ungenauigkeit beim Integrieren oder durch das Verhalten der Rogowski-Spule hervorgerufen wird, kann sie auch nicht korrigiert werden. Seite 22 Bild 6.5 Spannung eines Rogowski-Stromwandlers (unteres Signal) bei Belastung mit einem Strom-Rechtecksprung Bild 6.6 Rechtecksprung mit kleinem Überschwingen: Messnormal Rechtecksprung mit großem Überschwingen: Rogowski-Stromzange AEG SZ 30 Seite 23 Bild 6.7 Unteres Signal: Oberes Signal: Messnormal Rogowski-Stromzange AEG SZ 30 Theoretisch ist bei einer Aufzeichnungsdauer von 25 ms eine Auswertung der Frequenzen bis 50 Hz möglich. Bei der Berechnung der Transferfunktion für diese Rogowski-Spule (Anhang, Bild 10.6.1-3) zeigt sich dann allerdings, dass in diesem Frequenzbereich die Beträge der Übertragungsfunktion um ca. ± 4 % um den zu erwartenden Wert von 1 schwanken und damit für eine Kalibrierung zu ungenau sind. Im Zeitbereich ab 40 ms sind die Messwerte der Habemus-Spule den Messwerten der AEG-Spule ähnlich (Anhang, Bild 10.7.1-2), wenn auch ihr Integral dem Verlauf des direkt gemessenen Stromes besser folgt. Beim Einschwingen auf diesen Wert weist die Habemus-Spule allerdings ein völlig anderes Verhalten auf. Statt mit gedämpftem Überschwingen nähert sich diese Rogowski-Spule asymptotisch ihrem zeitweiligen Endwert (Anhang, Bild 10.7.1-1). Dieses Verhalten macht sich auch in der Übertragungsfunktion bemerkbar. Schon bei 10 kHz weicht die Habemus-Spule um -10 % vom Referenzwert ab, während das Toleranzband der Beträge deutlich schmaler ausfällt als bei der AEG-Spule (Anhang, Bilder 10.6.1-3 und 10.7.1-3). Geht man jetzt bei den Messungen auf die nächstlangsamere Abtastzeit von 1 µs über, um die niedrigen Frequenzen besser auswerten zu können, so zeigt sich in den Bildern 10.6.1-4 und 10.7.1-4 des Anhangs, dass der Anfangswert des integrierten Stroms noch gut berechnet wird. Danach weist der Strom jedoch einige Abweichungen auf, die nicht unbedingt auf das Übertragungsverhalten der Rogowski-Spulen zurückzuführen sind. Die aus dieser Messung berechnete Übertragungsfunktion zeigt sich dann auch stark verrauscht und ist wenig brauchbar. Seite 24 Eine weitere Absenkung der Abtastzeit auf 10 µs hatte zur Folge, dass die Anfangsschwingungen der Spannung der Rogowski-Spule nicht mehr vernünftig gemessen werden konnten und somit keine weitere Auswertung möglich war. Um festzustellen, ob eine Verlangsamung des Stromanstiegs zu besseren Ergebnissen bei Messungen mit Rogowski-Spulen führt, wurde in den Messkreis eine ca. 15 m lange Zuleitung eingebaut, und somit die Anstiegszeit auf ca. 4 µs verlängert (Anhang, Bilder 10.6.2-1 und 10.7.2-1). Obwohl sich die Messwerte der Habemus-Spule etwas verbesserten, brachte diese Maßnahme nicht den gewünschten Erfolg. Im Bereich der niedrigen Frequenzen bis 250 Hz lassen sich immer noch keine Aussagen treffen, die zu einer Kalibrierung der Rogowski-Spulen führen könnten. Zusammenfassend kann man sagen, dass die Belastung von Rogowski-Stromwandlern mit einem steilen Stromsprung nur Aussagen über das Verhalten des Stromwandlers bei höheren Frequenzen zulässt, im Frequenzbereich um 50 Hz ist eine Kalibierung mit Wechselstrom vorzuziehen. 7 Ansatz einer Kalibrierung Die EN 60060-2 schreibt für eine Abnahmeprüfung an Komponenten von anerkannten Stoßstrom-Messsystemen folgende Prüfungen und Untersuchungen vor: • Linearitätsprüfung (Cl. 5.3), • Bestimmung des Maßstabsfaktors (Cl. 5.2), • Kurzzeitstabilitätsprüfung (Cl. 5.4), • Langzeitstabilität (Cl. 5.5), • Temperatureinfluß (Cl. 5.6) – nicht an bestehenden Geräten, • Proximityeffekt (Cl. 5.7) – falls erforderlich, • Dynamisches Verhalten (Cl. 5.8) – falls erforderlich, • Stehspannungsprüfung (Cl. 5.9) – nicht an bestehenden Geräten. Von den obigen Prüfungen können folgende mittels des Kalibriergenerators durchgeführt werden: • Bestimmung des Maßstabsfaktors, • Linearitätsprüfung – nur bedingt: bis zu Nennströmen von 1000 A, • Kurzzeitstabilitätsprüfung – nur bedingt: Messung am Anfang und Ende der Prüfung, • Proximityeffekt, • Dynamisches Verhalten. Seite 25 Da die Bestimmung des Maßstabsfaktors durch gleichzeitiges Messen der Ein- und Ausgangsgrößen des Strommessgerätes und die Überprüfung des dynamischen Verhaltens durch Ermittlung der Übertragungsfunktion erfolgen kann, lassen sich diese beiden Punkte bei Verwendung des Kalibriergenerators in einer Messung erledigen. Um den Beweis für die Funktionsfähigkeit des Kalibriergenerators im praktischen Einsatz anzutreten, wurde ein Hochstrom-Shunt (L 144101, siehe auch Abschnitt 10.1) und ein im Labor fest eingebauten Hochstrom-Wandler (L 143108, siehe auch Abschnitt 10.3) nach den Kriterien der EN 60060-2 kalibriert. Bei dieser Kalibierung wurden die Maßstabsfaktoren der beiden Messwertumformer und auch ihre Linerarität im Bereich von 100 A bis 800 A gemessen. Wegen des relativ großen zeitlichen Abstandes zwischen den einzelnen Prüfstößen im Laborbetrieb wurde auf eine Kurzzeitstabilitätsprüfung verzichtet. Da der untersuchte Shunt in gekapselter Bauweise ausgeführt ist und der Stromwandler fest im Labor eingebaut war, wurde auch der Proximityeffekt nicht untersucht. 7.1 Ermittlung der Maßstabsfaktoren Die STL Procedure No. 3 gibt für verschiedene Arten von zu messenden Strömen Frequenzbereiche an, innerhalb derer die geforderten Messunsicherheiten eingehalten werden müssen. Diese verschiedenen Frequenzbereiche lassen sich grob in zwei Frequenzblöcke mit Frequenzen von 0 bis 500 Hz und 20 Hz bis 50 kHz einteilen. Um die Frequenzen beider Blöcke mit ausreichender Genaugkeit erfassen zu können, wurden die Maßstabsfaktoren und damit auch das dynamische Verhalten der Messwertumformer in zwei getrennten Kalibrierungen bestimmt. Bei den Messungen für den unteren Frequenzblock wurden das Ein- und Ausgangssignal des Messwertumformers mit einer Abtastfrequenz des Transientenrekorders von 100 kHz gemessen, wobei die Eingänge des Transientenrekorders mit 10 kHz Antialiasing-Filtern bestückt waren. Bei 200 000 ausgewerteten Messpunkten ergibt das – abgesehen vom Gleichstromglied - eine unterste auswertbare Frequenz und somit auch ein Frequenzraster von 0,5 Hz. Für die Erfassung der höheren Frequenzen wurde eine Abtastrate von 10 MHz mit einem 1,3 MHz Filter ausgewählt, was zu einer Grundfrequenz und einem Frequenzraster von 50 Hz führt. Für die Ermittlung der Maßstabsfaktoren wurden mit beiden Abtastraten jeweils 10 Rechtecksprünge aufgezeichnet und ausgewertet. Wegen der begrenzten Stromtragfähigkeit des Messnormals wurden diese Versuche mit Rechtecksprüngen von 300 A durchgeführt. Dieser Strom führte selbst bei einem Maßstabsfaktor des Stromwandlers von 10 k A / V noch zu guten Ergebnissen. Anschließend wurde für jede ausgewertete Frequenz der Mittelwert des Maßstabsfaktors und des Phasenwinkels dieser 10 Messungen gebildet. Die Bilder 7.1 und 7.2 zeigen das Kalibrierergebnis des Shunts, in den Bildern 7.3 und 7.4 ist das Kalibrierergebnis des Stromwandlers dargestellt. Da es sich bei diesen Messungen nicht um eine echte Kalibrierung handelte, wurden die angegebenen Maßstabsfaktoren der Einfachheit halber auf den Nennwert des Messnormals bezogen. Seite 26 Die Kalibrierergebnisse im unteren Frequenzbereich sind – sieht man von der Unregelmäßigkeit bei 300 Hz ab – bei beiden Geräte sehr gut. Die fehlerhafte Messung bei 300 Hz wird durch Schaltspitzen des 6-pulsigen Gleichrichters hevorgerufen und muss bei der Beurteilung der Kalibrierung ausgeblendet werden. Der Maßstabsfaktor des Shunts ist in diesem Bereich konstant, sein Phasenwinkel steigt von 0° auf 0,2° an. Der Maßstabsfaktor des Wandlers ändert sich im Bereich von 1 Hz (untere Grenzfrequenz für die Messung des Scheitelwertes von asymmetrischen Ein- und Ausschaltströmen) bis 500 Hz um 2 % von 1,007 auf 0,987, die Abweichung des Phasenwinkels bei 1 Hz liegt bei 1°. Im Bereich ab 20 Hz liegt die Änderung des Maßstabsfaktors nur noch bei 0,5 % bei einer Änderung der Phasenwinkels von 0,2°. Im oberen Frequenzbereich von 20 Hz bis 50 kHz ändert sich der Maßstabsfaktor des Shunts um maximal 0,7 %, ein Wert der noch als gut betrachtet werden kann. Sein Phasenwinkel steigt allerdings – bedingt durch die oben erwähnten Einkoppelungen in den Spannungsmesskreis des Shunts – auf ungefähr 14° an. Die Kalibrierergebnisse des Wandlers für den oberen Frequenzbereich sind hier nur der Vollständigkeit halber angeführt, da sein Einsatzgebiet sich auf die Messung von Strömen im unteren Frequenzbereich beschränkt. 7.2 Ermittlung der Nichtlinearität Zur Ermittlung der Nichtlinearität wurden beide Messwertumformer mit jeweils drei Rechtecksprüngen mit Stromstärken von 100, 275, 450, 625 und 800 A belastet. Wegen der begrenzten Stromtragfähigkeit des Messnormals wurden diese Versuche nur bei der kurzen Aufzeichnungszeit im oberen Frequenzbereich durchgeführt. Für alle ausgewerteten Frequenzen der jeweils drei Sprünge einer Stromebene wurde der Mittelwert der Maßstabsfaktoren gebildet. Anschließend wurde – ebenfalls frequenzweise – der Gesamtmittelwert berechnet. In den Bildern 7.5 und 7.6 sind für den Shunt und den Stromwandler die maximalen Abweichungen der einzelnen Mittelwerte vom Gesamtmittelwert des Maßstabsfaktors in % und des Phasenwinkels in Grad dargestellt. Im betrachteten Strom- und Frequenzbereich liegt beim Shunt die Nichtlinearität des Maßstabsfaktors unter 0,3 % und die des Phasenwinkels bei 0,1°. Die Nichtlinearität des Maßstabsfaktors beim Wandler erreicht allerdings schon bei ca. 23 kHz den 1-%-Grenzwert. Im tatsächlichen Einsatzbereich des Wandlers bei Frequenzen bis 500 Hz hingegen liegt die Nichtlinearität des Maßstabsfaktors bei guten 0,1 % und die des Phasenwinkels unter 0,1°. Beide Geräte erfüllen bei Strömen bis 800 A die Anforderungen der Vorschrift. Seite 27 Bild 7.1 Maßstabsfaktor und Phasenwinkel des Shunts (L 144101) im Frequenzbereich von 0 bis 500 Hz Bild 7.2 Maßstabsfaktor und Phasenwinkel des Shunts (L 144101) im Frequenzbereich von 0 bis 50 kHz Seite 28 Bild 7.3 Maßstabsfaktor und Phasenwinkel des Wandlers (L 143108) im Frequenzbereich von 0 bis 500 Hz Bild 7.4 Maßstabsfaktor und Phasenwinkel des Wandlers (L 143108) im Frequenzbereich von 0 bis 50 k Seite 29 Bild 7.5 Nichtlineraität von Maßstabsfaktor und Phasenwinkel des Shunts L 144101 Bild 7.6 Nichtlineraität von Maßstabsfaktor und Phasenwinkel des Wandlers L 143108 Seite 30 7.3 Abschätzung der Messunsicherheiten Sehr wichtig für eine erfolgreiche Kalibrierung ist die Betrachtung der Messunsicherheiten. Tabelle 7.1 zeigt die Messunsicherheiten der Kalibrierungen des Hochstrom-Shunts und des Stromwandlers. Die Messunsicherheiten wurden nach der EN 60060-2/A11 [8] und dem STL Guide [9] ermittelt. Bei der Messunsicherheitsbilanz einer Kalibrierung sind jeweils zwei Messketten zu betrachten, die der Referenzmessung und die des zu kalibrierenden Gerätes. Beide Messketten bestehen aus dem Messwertumformer selbst, dem Aliasing-Filter am Transientenrekorder und dem Transientenrekorderkanal. Für diese Komponenten sind im oberen Teil der Tabelle die individuellen Messunsicherheiten angegeben, die dann in der Zeile “Gesamt-Messunsicherheit der Komponenten” zusammengefasst wurden. Aus den Messunsicherheiten der Komponenten wurde dann die “GesamtMessunsicherheit der Messkette” berechnet. In die “Gesamt-Messunsicherheit“ im untersten Teil der Tabelle flossen dann die Messunsicherheiten der an der Kalibrierung beteiligten Messketten und die statistische Messunsicherheit bei der Ermittlung der Messergebnisse ein. Die Messunsicherheiten sind für die Messungen in den beiden Frequenzbereichen getrennt aufgeführt. Da die in beiden Messketten verwendeten Filter und Transientenrekorderkanäle identisch aufgebaut und gleich alt waren, und sich somit in Bezug auf Nichtlinearität, Kurzzeitstabilität, Temperatureinfluss, Langzeitstabilität und Frequenzeinfluss gleich verhalten sollten, wurden in diesen Kategorien nur noch kleinere Unterschiede durch Angabe einer Unsicherheit von jeweils 0,1 % berücksichtigt. Um die Tabelle übersichtlich zu halten, wurde bei den statistischen Messunsicherheiten, die vom Auswerteprogramm für jede einzelne Frequenz ermittelt wurden, nur die maximale im betrachteten Frequenzbereich aufgetretene Messunsicherheit bei der Berechnung berücksichtigt. Da dieser Wert im Vergleich zu den systematischen Messunsicherheiten klein ist, entsteht dadurch kein großer Fehler. Die größten Beiträge zur Gesamt-Messunsicherheit liefern die Messunsicherheiten, zu denen aufgrund nicht vorhandener Messergebnisse keine Aussagen getroffen werden konnten, und die deswegen mit einem Wert von 1 % angesetzt werden mussten. Das sind beim Messnormal das Verhalten des Maßstabsfaktors über der Frequenz im oberen Frequenzbereich und beim Hochstrom-Shunt und Stromwandler die Nichtlinearität bei Messströmen im kA-Bereich. Könnte man diese Werte durch Messungen um etwas mehr als die Hälfte reduzieren, so sind GesamtMessunsicherheiten unter 1 % realisierbar. Die bei dieser Art der Kalibrierung tatsächlich ermittelten Gesamt-Messunsicherheiten der Maßstabsfaktoren der einzelnen Frequenzen von 1,34 %/ 1,75 % für den Hochstrom-Shunt und 1,42 %/1,83 % für den Stromwandler im unteren/oberen Frequenzbereich können als zufriedenstellend betrachtet werden. Es scheint nach diesen Ergebnissen möglich zu sein, auch Hochstrom-Messgeräte nach ähnlichen Kriterien zu kalibrieren, wie sie in der Hochspannungstechnik schon seit längerem angewendet werden. Seite 31 Seite 32 8 Zusammenfassung und Ausblick Betreiber von Elektrizitätsversorgungsnetzen und Hersteller von industriellen Produkten zur Errichtung der Netze unterliegen bezüglich der Bedingungen bei der Vergabe von Aufträgen seit dem 17.9.1990 der Richtlinie des Rates der EU (Sektorenrichtlinie 90/531 EWG). Dieses bewirkt einerseits einen Wettbewerb unter den Anbietern bei Ausschreibungen im geöffneten europäischen Markt, andererseits sind die Erwartungen der Kunden geprägt von zumindest gleichbleibender Qualität der Produkte auf ausreichend hohem Niveau. Für Hersteller und Netzbetreiber bedeutet darum die Sicherstellung der Produktqualität auch eine Stärkung der wirtschaftlichen Stellung der Unternehmen im Europäischen Binnenmarkt. Um sicherzustellen, dass auf internationaler Ebene die gleichen Qualitätsmaßstäbe an alle zu prüfende Anlagen und Geräte der Starkstromtechnik angewandt werden, betonte die Entschließung des Rates der EU für ein globales Konzept für Zertifizierung und Prüfwesen vom 21.12.1989 die notwendige Äquivalenz der unterschiedlichen Prüfstellen hinsichtlich ihrer Qualität. An alle Unternehmen erging die Forderung zuständiger nationaler und internationaler Stellen nach eindeutiger Rückführbarkeit der bei Prüfungen eingesetzten Messmittel auf nationale Normale. Dies fand seinen Niederschlag auch in der für Qualitätsmanagementsysteme geltenden Europanorm EN 29000 Serie – identisch mit der weltweit geltenden ISO 9000 –, die für alle auf diesem Gebiet eingesetzten Messeinrichtungen die Rückführbarkeit auf nationale Messnormale fordert, sofern diese Messnormale vorhanden sind. Das hier beschriebene Projekte diente dazu, hinsichtlich der Messung hoher transienter Stromverläufe eine Lücke zu schließen, um eine umfassende Möglichkeit zur Rückführbarkeit eingesetzter Messmittel zu gewährleisten. Die bei den Kalibrierungen anzuwendenden Verfahren und die Anforderungen an die dabei einzuhaltenden Messunsicherheiten werden in internationalen oder europäischen Normen festgelegt. Während Kalibrierungen von Hochspannungsmessgeräten nach der EN 60060-2 (IEC 10060-2) [1] durchgeführt werden, existiert für die Kalibrierung von Hochstrommessgeräten eine entsprechende Norm noch nicht. Hochstrommessgeräte werden bislang nur bei Betriebsfrequenz (50Hz) kalibriert. Eine Rückführbarkeit des Messverhaltens bei abweichenden Frequenzen ist deshalb bisher nicht gegeben. Die STL Procedure No. 3 [2] hingegen gibt für verschiedene Arten von zu messenden Strömen Frequenzbereiche an, innerhalb derer die geforderten Messunsicherheiten eingehalten werden müssen. Für die in Prüffeldern häufig zu messenden Stoßkurzschluss- Kurzschluss- und Lastströme, Ein- und Ausschaltströme sowie kleine induktive Ströme liegen die genannten Frequenzen im Bereich zwischen 1 Hz und 500 Hz. Lediglich beim Schalten kapazitiver Ströme (bis 10 kHz) und in den (seltenen) Fällen, in denen die Ströme über die TRV-Anlage zur Regulierung der wiederkehrenden Spannungen (bis 50 kHz) von Interesse sind, werden Ströme höherer Frequenzen gemessen. Um Aussagen über das Übertragungsverhalten der unterschiedlichen Messgeräte Seite 33 über den gesamten genannten Frequenzbereich treffen zu können, wurde der vorliegende Kalibriergenerator entwickelt und getestet. Er erlaubt eine Untersuchung im Bereich zwischen 0,5 Hz und 100 kHz mit guten Ergebnissen. In den dargestellten Übertragungsfunktionen wurde der betrachtete Bereich entsprechend den Vorgaben der STL Procedure No. 3 auf Frequenzen kleiner gleich 50 kHz beschränkt. Sieht man von mess- und auswertetechnischen Schwierigkeiten bei der Untersuchung von Rogowski-Wandlern ab, so können mit der geschaffenen Einrichtung alle gängigen Hochstrommessgeräte untersucht werden. Für einen im Prüffeld eingesetzten Shunt sowie für einen im Prüfkreis fest installierten Stromwandler wurde eine Kalibrierung, soweit möglich folgend den Anforderungen aus EN 60060-2 für Hochspannungsmessgeräte, im Ansatz durchgeführt. Beide Messgeräte zeigten über den betrachteten Frequenzbereich gutes, bzw. in den Randbereichen noch befriedigendes Übertragungsverhalten. Die vorliegenden Ergebnisse dieses Forschungsprojektes können als Ausgangspunkt für eine Verständigung zunächst auf nationaler Ebene zwischen Prüflabors und den die Kalibrierung durchführenden Institutionen über eine mögliche Kalibrierprozedur und über zu fordernde Genauigkeiten genutzt werden. Mittelfristig können die Ergebnisse in die Forderungen über einzuhaltende Grenzen der Messunsicherheit verschiedener Hochstrommessmittel in Hochleistungsprüffeldern einfliessen. Hierzu wird die FGH Kontakt zu den genannten Institutionen, z.B. im Rahmen der bestehenden Mitarbeit in einschlägigen Gremien, aufnehmen. Die angestrebte Umsetzung der im Rahmen des Projekts gewonnenen Erkenntnisse über einzuhaltende Messunsicherheiten in national wie international geltende Kalibriervorschriften stellt einen weiteren wesentlichen Schritt bei der Vertrauensbildung in ein System glaubwürdiger Dokumente zur Produktbeschreibung dar. Sie erlaubt den Nachweis der Auswahl adäquater Prüfmittel ist somit für alle Hersteller starkstromtechnischer Geräte und Komponenten von großer Bedeutung, weil eine systematische und vollständig dokumentierte Prüfmittelüberwachung in Verbindung mit dem lückenlosen Nachweis des zweckentsprechenden Einsatzes dieser Prüfmittel für einen gegebenenfalls erforderlichen Entlastungsnachweis unerlässlich ist. Seite 34 9 Literatur [1] EN 60060-2:1994: High-voltage Test Techniques – Part 2: Measuring Systems [2] STL Procedure No. 3: Procedure for the Handling of Measurement Uncertainties in [3] Göldner, H.: Mathematische Grundlagen der Systemanalyse. Verlag Harri Deutsch, [4] European Commission Project No. MAT1-CT94-0066 – Final Report “Traceability of Testing and Test Documents. Issue No.2 April 1994 Thun und Frankfurt/M., 2. Auflage 1987 High-current Measuring Systems in High-power Laboratories to Standards of Measurement”. TC agenda item 20.2.1, Paper T(FTG)B 09 [5] Irvine, Tom: Structural Dynamic Testing Using an Impulse Force. http:// [6] Frigo, M.; Johnson, St. G.: FFTW. http://www.fftw.org [7] Gericke, G.; Thomas, R.: Messung verlagerter Kurzschlussströme in Prüffeldern mit Hilfe [8] EN 60060-2/A11:1998: High-voltage Test Techniques – Part 2: Measuring Systems [9] STL Guide: Guide to Establish Traceability of High-voltage Measuring Systems Used in www.vibrationdata.com/tutorials.htm, structd.pdf von Linearstromwandlern. etz A, 91. Jahrgang (1970), S. 462-466. High-voltage Testing to National Standards of Measurement. November 1999 Seite 35 10 Anhang: Messergebnisse 10.1 Messungen am Shunt L144101 10.1.1 Messungen am Shunt L144101 bei 300 A Stromsprung Hersteller: Typ: T&M Research Products Part HW 1.8 Nennstrom: Nennübersetzung: 60 kA / 0.3 s 1,01041 kA / V 300 A Stromsprung Bild 10.1.1-1 Anstieg des 300-A-Rechteck-Stromsprungs Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Shunt L144101 Seite 36 Bild 10.1.1-2 300-A-Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Shunt L 144101 Bild 10.1.1-3 Übertragungsfunktion des Shunts L 144101, Bereich höherer Frequenzen Seite 37 Bild 10.1.1-4 300-A-Rechteck-Stromsprung mit langsamer Zeitablenkung unteres Signal: Messnormal, oberes Signal: Shunt L 144101 Bild 10.1.1-5 Übertragungsfunktion des Shunts L 144101, Bereich niedriger Frequenzen Seite 38 10.1.2 Messungen am Shunt L144101 bei 100 A Stromsprung Hersteller: Typ: T&M Research Products Part HW 1.8 Nennstrom: 60 kA / 0.3 s Nennübersetzung: 1,01041 kA / V 100 A Stromsprung Bild 10.1.2-1 Anstieg des 100-A-Rechteck-Stromsprungs Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Shunt L144101 Seite 39 Bild 10.1.2-2 100-A-Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Shunt L 144101 Bild 10.1.2-3 Übertragungsfunktion des Shunts L 144101, Bereich höherer Frequenzen Seite 40 10.1.3 Messungen am Shunt L144101 bei 275 A Stromsprung Hersteller: Typ: T&M Research Products Part HW 1.8 Nennstrom: 60 kA / 0.3 s Nennübersetzung: 1,01041 kA / V 275 A Stromsprung Bild 10.1.3-1 275-A-Anstieg des Rechteck-Stromsprungs Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Shunt L144101 Seite 41 Bild 10.1.3-2 275-A-Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Shunt L 144101 Bild 10.1.3-3 Übertragungsfunktion des Shunts L 144101, Bereich höherer Frequenzen Seite 42 10.1.4 Messungen am Shunt L144101 bei 450 A Stromsprung Hersteller: Typ: T&M Research Products Part HW 1.8 Nennstrom: 60 kA / 0.3 s Nennübersetzung: 1,01041 kA / V 450 A Stromsprung Bild 10.1.4-1 Anstieg des 450-A-Rechteck-Stromsprungs Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Shunt L144101 Seite 43 Bild 10.1.4-2 450-A-Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Shunt L 144101 Bild 10.1.4-3 Übertragungsfunktion des Shunts L 144101, Bereich höherer Frequenzen Seite 44 10.1.5 Messungen am Shunt L144101 bei 625 A Stromsprung Hersteller: Typ: T&M Research Products Part HW 1.8 Nennstrom: 60 kA / 0.3 s Nennübersetzung: 1,01041 kA / V 450 A Stromsprung Bild 10.1.5-1 Anstieg des 625-A-Rechteck-Stromsprungs Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Shunt L144101 Seite 45 Bild 10.1.5-2 625-A-Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Shunt L 144101 Bild 10.1.5-3 Übertragungsfunktion des Shunts L 144101, Bereich höherer Frequenzen Seite 46 10.1.6 Messungen am Shunt L144101 bei 800 A Stromsprung Hersteller: Typ: T&M Research Products Part HW 1.8 Nennstrom: 60 kA / 0.3 s Nennübersetzung: 1,01041 kA / V 800 A Stromsprung Bild 10.1.6-1 Anstieg des 800-A-Rechteck-Stromsprungs Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Shunt L144101 Seite 47 Bild 10.1.6-2 800-A-Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Shunt L 144101 Bild 10.1.6-3 Übertragungsfunktion des Shunts L 144101, Bereich höherer Frequenzen Seite 48 10.2 Messungen am Shunt L144103 Hersteller: Typ: Hartmann & Braun Keine Angabe (Stäbchen-Shunt) Nennstrom: 1000 A Nennübersetzung: 6,6667 kA / V 200 A Stromsprung Bild 10.2-1 Anstieg des Rechteck-Stromsprungs Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Shunt L144103 Seite 49 Bild 10.2-2 Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung glattes Signal: Messnormal, Signal mit Einstreuungen: Shunt L 144103 Bild 10.2-3 Übertragungsfunktion des Shunts L 144103, Bereich höherer Frequenzen Seite 50 Bild 10.2-4 Rechteck-Stromsprung mit langsamer Zeitablenkung galttes Signal: Messnormal, Signal mit Einstreuungen: Shunt L 144103 Bild 10.2-5 Übertragungsfunktion des Shunts L 144103, Bereich niedriger Frequenzen Seite 51 10.3 Messungen am Stromwandler L143108 10.3.1 Messungen am Stromwandler L143108 bei 300 A Stromsprung Hersteller: Typ: Siemens AEPF 30 Nennstrom: Bürde: Übersetzung: 500 A, Ith = 135 kA 0,01 Ω 10 kA / V 300 A Stromsprung Bild 10.3.1-1 Anstieg des 300-A-Rechteck-Stromsprungs Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Stromwandler L 143108 Seite 52 Bild 10.3.1-2 300-A-Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Stromwandler L 143108 Bild 10.3.1-3 Übertragungsfunktion des Stromwandlers L 143108, Bereich höherer Frequenzen Seite 53 Bild 10.3.1-4 300-A-Rechteck-Stromsprung mit langsamer Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Stromwandler L 1431038 Bild 10.3.1-5 Übertragungsfunktion des des Stromwandlers L 143108, Bereich niedriger Frequenzen Seite 54 10.3.2 Messungen am Stromwandler L143108 bei 100 A Stromsprung Hersteller: Typ: Siemens AEPF 30 Nennstrom: Bürde: Übersetzung: 500 A, Ith = 135 kA 0,01 Ω 10 kA / V 100 A Stromsprung Bild 10.3.2-1 Anstieg des 100-A-Rechteck-Stromsprungs Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Stromwandler L 143108 Seite 55 Bild 10.3.2-2 100-A-Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Stromwandler L 143108 Bild 10.3.2-3 Übertragungsfunktion des Stromwandlers L 143108, Bereich höherer Frequenzen Seite 56 10.3.3 Messungen am Stromwandler L143108 bei 275 A Stromsprung Hersteller: Typ: Siemens AEPF 30 Nennstrom: Bürde: Übersetzung: 500 A, Ith = 135 kA 0,01 Ω 10 kA / V 275 A Stromsprung Bild 10.3.3-1 Anstieg des 275-A-Rechteck-Stromsprungs Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Stromwandler L 143108 Seite 57 Bild 10.3.3-2 275-A-Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Stromwandler L 143108 Bild 10.3.3-3 Übertragungsfunktion des Stromwandlers L 143108, Bereich höherer Frequenzen Seite 58 10.3.4 Messungen am Stromwandler L143108 bei 450 A Stromsprung Hersteller: Typ: Siemens AEPF 30 Nennstrom: Bürde: Übersetzung: 500 A, Ith = 135 kA 0,01 Ω 10 kA / V 450 A Stromsprung Bild 10.3.4-1 Anstieg des 450-A-Rechteck-Stromsprungs Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Stromwandler L 143108 Seite 59 Bild 10.3.4-2 450-A-Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Stromwandler L 143108 Bild 10.3.4-3 Übertragungsfunktion des Stromwandlers L 143108, Bereich höherer Frequenzen Seite 60 10.3.5 Messungen am Stromwandler L143108 bei 625 A Stromsprung Hersteller: Typ: Siemens AEPF 30 Nennstrom: Bürde: Übersetzung: 500 A, Ith = 135 kA 0,01 Ω 10 kA / V 625 A Stromsprung Bild 10.3.5-1 Anstieg des 625-A-Rechteck-Stromsprungs Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Stromwandler L 143108 Seite 61 Bild 10.3.5-2 625-A-Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Stromwandler L 143108 Bild 10.3.5-3 Übertragungsfunktion des Stromwandlers L 143108, Bereich höherer Frequenzen Seite 62 10.3.6 Messungen am Stromwandler L143108 bei 800 A Stromsprung Hersteller: Typ. Siemens AEPF 30 Nennstrom: Bürde: Übersetzung: 500 A, Ith = 135 kA 0,01 Ω 10 kA / V 800 A Stromsprung Bild 10.3.6-1 Anstieg des 800-A-Rechteck-Stromsprungs Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Stromwandler L 143108 Seite 63 Bild 10.3.6-2 800-A-Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Stromwandler L 143108 Bild 10.3.6-3 Übertragungsfunktion des Stromwandlers L 143108, Bereich höherer Frequenzen Seite 64 10.4 Messungen am Stromwandler L143603 10.4.1 Messungen am Messkern des Stromwandlers L143603 Hersteller: Typ: Ritz TSSO (Durchsteck-Stromwandler) Nennstrom: Bürde: Übersetzung: 3500 A, Ith = 350 kA 0,5 Ω 1,4 kA / V 200 A Stromsprung Bild 10.4.1-1 Anstieg des Rechteck-Stromsprungs Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Stromwandler L 143603, Messkern Seite 65 Bild 10.4.1-2 Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Stromwandler L 143603, Messkern Bild 10.4.1-3 Übertragungsfunktion des Messkerns des Stromwandlers L 143603, Bereich höherer Frequenzen Seite 66 Bild 10.4.1-4 Rechteck-Stromsprung mit langsamer Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Stromwandler L 143603, Messkern Bild 10.4.1-5 Übertragungsfunktion des Messkerns des Stromwandlers L 143603, Bereich niedriger Frequenzen Seite 67 10.4.2 Messungen am Schutzkern des Stromwandlers L143603 Hersteller: Typ: Ritz TSSO (Durchsteck-Stromwandler) Nennstrom: Bürde: Übersetzung: 3500 A, Ith = 350 kA 2Ω 1,75 kA / V 200 A Stromsprung Bild 10.4.2-1 Anstieg des Rechteck-Stromsprungs Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Stromwandler L 143603, Schutzkern Seite 68 Bild 10.4.2-2 Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Stromwandler L 143603, Schutzkern Bild 10.4.2-3 Übertragungsfunktion des Schutzkerns des Stromwandlers L 143603, Bereich höherer Frequenzen Seite 69 Bild 10.4.2-4 Rechteck-Stromsprung mit langsamer Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Stromwandler L 143603, Schutzkern Bild 10.4.2-5 Übertragungsfunktion des Schutzkerns des Stromwandlers L 143603, Bereich niedriger Frequenzen Seite 70 10.5 Messungen am Stromwandler L143128 10.5.1 Messung bei 50-A-Schaltung des Stromwandlers L143128 Hersteller: Typ: Ritz GSW 30 Nennstrom: Bürde: Übersetzung: 50 A, Ith = 20 kA 1Ω 50 A / V 50 A Stromsprung Bild 10.5.1-1 Anstieg des Rechteck-Stromsprungs Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Stromwandler L 143128, 50-A-Schaltung Seite 71 Bild 10.5.1-2 Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung feines Signal: Messnormal, breites Signal: Stromwandler L 143128, 50-A-Schaltung Bild 10.5.1-3 Übertragungsfunktion des Stromwandlers L 143128, 50-A-Schaltung, Bereich höherer Frequenzen Seite 72 Bild 10.5.1-4 Rechteck-Stromsprung mit langsamer Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Stromwandler L 143128, 50-A-Schaltung Bild 10.5.1-5 Übertragungsfunktion des Stromwandlers L 143128, 50-A-Schaltung, Bereich niedriger Frequenzen Seite 73 10.5.2 Messungen bei 100-A-Schaltung des Stromwandlers L143128 Hersteller: Typ: Ritz GSW 30 Nennstrom: Bürde: Übersetzung: 100 A, Ith = 40 kA 1Ω 100 A / V 100 A Stromsprung Bild 10.5.2-1 Anstieg des Rechteck-Stromsprungs Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Stromwandler L 143128, 100-A-Schaltung Seite 74 Bild 10.5.2-2 Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung feines Signal: Messnormal, breites Signal: Stromwandler L 143128, 100-A-Schaltung Bild 10.5.2-3 Übertragungsfunktion des Stromwandlers L 143128, 100-A-Schaltung, Bereich höherer Frequenzen Seite 75 Bild 10.5.2-4 Rechteck-Stromsprung mit langsamer Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Stromwandler L 143128, 100-A-Schaltung Bild 10.5.2-5 Übertragungsfunktion des Stromwandlers L 143128, 100-A-Schaltung, Bereich niedriger Frequenzen Seite 76 10.5.3 Messungen bei 200-A-Schaltung des Stromwandlers L143128 Hersteller: Typ: Ritz GSW 30 Nennstrom: Bürde: Übersetzung: 200 A, Ith = 20 kA 1Ω 200 A / V 200 A Stromsprung Bild 10.5.3-1 Anstieg des Rechteck-Stromsprungs Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Stromwandler L 143128, 200-A-Schaltung Seite 77 Bild 10.5.3-2 Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung feines Signal: Messnormal, breites Signal: Stromwandler L 143128, 200-A-Schaltung Bild 10.5.3-3 Übertragungsfunktion des Stromwandlers L 143128, 200-A-Schaltung, Bereich höherer Frequenzen Seite 78 Bild 10.5.3-4 Rechteck-Stromsprung mit langsamer Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Stromwandler L 143128, 200-A-Schaltung Bild 10.5.3-5 Übertragungsfunktion des Stromwandlers L 143128, 200-A-Schaltung, Bereich niedriger Frequenzen Seite 79 10.5.4 Messungen bei 400-A-Schaltung des Stromwandlers L143128 Hersteller: Typ: Ritz GSW 30 Nennstrom: Bürde: Übersetzung: 400 A, Ith = 40 kA 1Ω 400 A / V 400 A Stromsprung Bild 10.5.4-1 Anstieg des Rechteck-Stromsprungs Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Stromwandler L 143128, 400-A-Schaltung Seite 80 Bild 10.5.4-2 Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung feines Signal: Messnormal, breites Signal: Stromwandler L 143128, 400-A-Schaltung Bild 10.5.4-3 Übertragungsfunktion des Stromwandlers L 143128, 400-A-Schaltung, Bereich höherer Frequenzen Seite 81 Bild 10.5.4-4 Rechteck-Stromsprung mit langsamer Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Stromwandler L 143128, 400-A-Schaltung Bild 10.5.4-5 Übertragungsfunktion des Stromwandlers L 143128, 400-A-Schaltung, Bereich niedriger Frequenzen Seite 82 10.6 Messungen am Rogowski-Stromwandler L143617 10.6.1 Messungen am Rogowski-Stromwandler L143617 bei normaler Anstiegszeit Hersteller: Typ: AEG SZ 30 Nennstrom: Übersetzung: keine Angabe 1646,195 kA / Vs 200 A Stromsprung Bild 10.6.1-1 Anstieg des Rechteck-Stromsprungs Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Rogowski-Stromwandler L 143617 Seite 83 Bild 10.6.1-2 Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung unteres Signal: Messnormal, oberes Signal: Rogowski-Stromwandler L 143617 Bild 10.6.1-3 Übertragungsfunktion des Rogowski-Stromwandlers L 143617, Bereich höherer Frequenzen Seite 84 Bild 10.6.1-4 Rechteck-Stromsprung mit langsamer Zeitablenkung unteres Signal: Messnormal, oberes Signal: Rogowski-Stromwandler L 143617 Bild 10.6.1-5 Übertragungsfunktion des Rogowski-Stromwandlers L 143617, Bereich niedriger Frequenzen Seite 85 10.6.2 Messungen am Rogowski-Stromwandler L143617 bei langer Anstiegszeit Hersteller: Typ: AEG SZ 30 Nennstrom: Übersetzung: keine Angabe 1646,195 kA / Vs 200 A Stromsprung Bild 10.6.2-1: Anstieg des Rechteck-Stromsprungs mit verlängerter Anstiegszeit Signal ohne Schwingungen: Messnormal Signal mit Schwingungen: Rogowski-Stromwandler L 143617 Seite 86 Bild 10.6.2-2 Stromsprung mit verlängerter Anstiegszeit und schneller Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Rogowski-Stromwandler L 143617 Bild 10.6.2-3 Übertragungsfunktion des Rogowski-Stromwandlers L 143617 bei verlängerter Anstiegszeit, Bereich höherer Frequenzen Seite 87 Bild 10.6.2-4 Stromsprung mit verlängerter Anstiegszeit und langsamer Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Rogowski-Stromwandler L 143617 Bild 10.6.2-5 Übertragungsfunktion des Rogowski-Stromwandlers L 143617 bei verlängerter Anstiegszeit, Bereich niedriger Frequenzen Seite 88 10.7 Messungen am Rogowski-Stromwandler L143624 10.7.1 Messungen am Rogowski-Stromwandler L143624 bei normaler Anstiegszeit Hersteller: Typ: Habemus Rocoil 500N Nennstrom: Übersetzung: keine Angabe 4146.902 kA / Vs 200 A Stromsprung Bild 10.7.1-1 Anstieg des Rechteck-Stromsprungs schnelles Signal: Messnormal langsames Signal: Rogowski-Stromwandler L 143624 Seite 89 Bild 10.7.1-2 Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Rogowski-Stromwandler L 143624 Bild 10.7.1-3 Übertragungsfunktion des Rogowski-Stromwandlers L 143624, Bereich höherer Frequenzen Seite 90 Bild 10.7.1-4 Rechteck-Stromsprung mit schneller Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Rogowski-Stromwandler L 143624 Bild 10.7.1-5 Übertragungsfunktion des Rogowski-Stromwandlers L 143624, Bereich niedriger Frequenzen Seite 91 10.7.2 Messungen am Rogowski-Stromwandler L143624 bei langer Anstiegszeit Hersteller: Typ: Habemus Rocoil 500N Nennstrom: Übersetzung: keine Angabe 4146.902 kA / Vs 200 A Stromsprung Bild 10.7.2-1 Anstieg des Rechteck-Stromsprungs mit verlängerter Anstiegszeit schnelles Signal: Messnormal langsames Signal: Rogowski-Stromwandler L 143624 Seite 92 Bild 10.7.2-2 Rechteck-Stromsprung verlängerter Anstiegszeit und schneller Zeitablenkung oberes Signal: Messnormal, unteres Signal: Rogowski-Stromwandler L 143624 Bild 10.7.2-3 Übertragungsfunktion des Rogowski-Stromwandlers L 143624 bei verlängerter Anstiegszeit, Bereich höherer Frequenzen Seite 93 Bild 10.7.2-4 Stromsprung verlängerter Anstiegszeit und langsamer Zeitablenkung unteres Signal: Messnormal, oberes Signal: Rogowski-Stromwandler L 143624 Bild 10.7.2-5 Übertragungsfunktion des Rogowski-Stromwandlers L 143624 bei verlängerter Anstiegszeit, Bereich niedriger Frequenzen Seite 94
