Aufbau und Software zur automatisierten Messung des Frequenz- und Phasengangs von ohmsch-kapazitiven Hochspannungsteilern

Abstract:
Eine zentrale Aufgabe in der Hochspannungstechnik ist die Messung der anliegenden Spannungen und der fließenden Ströme. Zwar können hohe Spannungen über grundlegende physikalische Effekte prinzipiell gemessen werden, jedoch sind diese häufig mit starken Nachteilen oder hohen Ungenauigkeiten behaftet. Beispielsweise ist die Messung von Hochspannung mittels einer Funkenstrecke vergleichsweise einfach zu bewältigen. Die große Anzahl der Einflussparameter und der zwingend auftretende Kurzschluss macht die Methode jedoch untauglich für die Spannungsmessung. Zur Messung von hohen Spannungen haben sich daher Hochspannungsteiler nach dem Spannungsteilerprinzip weitestgehend durchgesetzt, wobei diese grob in drei Kategorien eingeteilt werden können: rein ohmsche Teiler, rein kapazitive Teiler und Mischteiler, welche sowohl aus Kapazitäten als auch ohmschen Elementen bestehen. Als eine zentrale Charakteristik eines Teilers wird dessen Teilerfaktor bei Nennbedingungen (Spannungshöhe und Frequenz) betrachtet. In den vergangenen Jahren ist jedoch die Zahl der Anwendungen gewachsen, die Kenntnis über die Änderung des Teilerfaktorens und ebenso die Phasenverschiebung des Teilers über einen Frequenzbereich voraussetzt, der Abseits der Nennfrequenz liegt. Beispielsweise sind für eine aktive Kompensationsanlage die harmonischen (also ganzzahligen Mehrfachen der Nennfrequenz) Überlagerungen von Interesse. Eine weitere Randbedingung sind die Pegel der Nenn-spannungen in den Höchstspannungsnetzen, welche in den vergangenen Dekaden beständig gestiegen sind. Die Kombination dieser Umstände erfordert es, dass für manche Hochspannungsteileranwendungen mit sehr großem Teilerfaktor (größer 1:10 000) auch der Frequenz- und Phasengang in einem erweiterten Frequenzbereich von Interesse sein kann. Die Ermittlung dieser Größen führt aber bei sehr hohem Teilerfaktor zu großen Herausforderungen in der Messtechnik, da die Signalpegel am Ausgang des Spannungsteilers bei den verfügbaren Kalibiergeneratoren mit den üblichen, eingeschränkten Spannungspegeln von bis zu 1 000 Volt, extrem klein werden. Eine mögliche Lösung ist die Nutzung eines Resonanzhochspannungsgenerators, welcher hohe Spannungen auch bei verhältnismäßig hohen Frequenzen bereitstellen kann. Die Messung des Niederspannungssignals kann hier mit einem handelsüblichen Messgerät erfolgen. Jedoch ist eine Resonanzanlage in der Regel mit extrem hohen Kosten (sowohl Anschaffung als auch Unterhalt) verbunden und bedarf viel Platz. Ebenfalls ist die Genauigkeit der Bestimmung des Primärspannungspegels zu hinterfragen. Diese Lösung ist daher für viele Prüfinstitute und Hersteller von Hochspannungsteilern praxisuntauglich. Eine neue, deutlich kostengünstigere, einfachere und zudem genauere Methode zur Bestimmung der Bandbreite eines Hochspannungsteilers soll im Rahmen dieser Veröffentlichung vorgestellt werden. Hierfür wird ein handelsüblicher Hochspannungssignalgenerator (max. Signalpegel 1 000 V), ein fernsteuerbares Multimeter und ein Lock-In-Verstärker genutzt, wobei der Lock-In-Verstärker das zentrale Element des Messaufbaus ist. Zur Orchestrierung der Messgeräte wurde eine modulare Software entwickelt, welche die Messung bei verschiedenen Frequenzen automatisiert vornimmt, die Ergebnisse permanent protokolliert und während der laufenden Messung grafisch darstellen kann. Die eigentliche Messung läuft ohne Eingreifen des Nutzers ab: Über eine Steuerschnittstelle (z.B. IEEE 488.2) wird der Signalgenerator auf eine vorgegebene Spannung und Frequenz eingestellt. Diese wird mit Hilfe des ebenfalls ferngesteu-erten Multimeters gemessen und die Daten werden von der Software abgerufen. Schließlich misst der von der Software angesteuerte Lock-In-Verstärker die Phasenlage und die Amplitude des Nutzsignals am Ausgang des Spannungsteilers. Die gemessenen Daten dienen zur Berechnung des Teilerfaktorens und des Frequenz- und Phasengangs des Hochspannungsteilers. Diese Veröffentlichung soll den Aufbau und den Ablauf der Messung vorstellen, sowie die entwickelte Software vorstellen.