Bestimmung des Real- und Imaginärteils der Impedanz von Wechselstrom-Shunts als Funktion der Frequenz bis 100 kHz

Abstract:
Ein Strommess-Shunt wird durch seinen „ohm‘schenWiderstand“ charakterisiert. Dieser sollte für Wechselstrom-Shunts in einem angegebenen Frequenzbereich möglichst konstant sein und rein ohmsch wirken. Der Shuntwiderstand wird durch den gemessenen Spannungsabfall, der durch einen definierten Strom durch den Shunt hervorgerufen wird, berechnet. Eine Schwierigkeit der Vermessung von Shunts, die für einen hohen Strombereich ausgelegt sind, liegt in dem geringen Nennwiderstand von zum Teil nur wenigen myW begründet. Diese niederohmige Auslegung ist erforderlich, um den Leistungsumsatz und somit die Wärmebelastung im Messwiderstand gering zu halten. Dadurch ist allerdings auch die zu messende Nutzsignalgröße bei der Widerstandsbestimmung sehr klein. Entsprechend ist es erforderlich, dass das Spannungsmesssystem eine hohe Eingangsempfindlichkeit aufweist. Um die Potentialdifferenz zwischen den Anschlussflanschen zu messen, werden durch den Messaufbau Leiterschleifen aufgespannt. Bei frequenzabhängigen Vorgängen werden in diese Messschleifen Störsignale induziert, deren Einflüsse auf das Messsignal erheblich sein können. Die durch die aufgespannte Fläche verursachte Induktivität des Messkreises führt, insbesondere hin zu höheren Messfrequenzen, dazu, dass die resultierende Impedanz einen nicht mehr zu vernachlässigenden Imaginäranteil aufweist. Diese Problematiken haben zur Folge, dass Hersteller von breitbandigen Strommessshunts oft nicht auf Basis von Messungen ermittelte, sondern theoretisch berechnete Grenzfrequenzen der Wechselstrom-Shunts angeben. Daher soll hier ein Messsystem vorgestellt werden, welches den Real- und Imaginärteil der Impedanz als Funktion der Frequenz bis 100 kHz bestimmen kann. Der Messaufbau besteht unter anderem aus einer frequenzvariablen Stromquelle und einem Verstärkersystem. Dazu wird die Signalamplitude im Messkabel durch einen Vorverstärker erhöht und mittels eines Lock-In-Verstärkers gemessen. Des Weiteren werden die Einflüsse von zum Beispiel elektrisch leitfähigen Materialien in der Umgebung und auch von Streufeldern, die auf die Versuchsanordnung (Zuleitungen, Shunt, Stromquelle) zurückzuführen sind, beschrieben. Darüber hinaus werden mögliche Lösungsansätze zur richtigen Bestimmung des Frequenzganges von Strommess-Shunts, wie der Einsatz von Abschirmungen oder koaxiale Systeme der Leitungsführung am Shunt, untersucht.