Hochspannungs-messtechnik

Klaus Schon

Grundlagen ndash Messgeraumlte ndash Messverfahren

Hochspannungsmesstechnik

Klaus Schon

HochspannungsmesstechnikGrundlagen ndash Messgeraumlte ndash Messverfahren

Klaus Schonvormals Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)Braunschweig und BerlinBraunschweig Deutschland

ISBN 978-3-658-15177-5 ISBN 978-3-658-15178-2 (eBook)DOI 101007978-3-658-15178-2

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Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016Das Werk einschlieszliglich aller seiner Teile ist urheberrechtlich gescheuroutzt Jede Verwertung die nicht ausdreuroucklichvom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags Das gilt insbesondere feurourVervielfaumlltigungen Bearbeitungen Uumlbersetzungen Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitungin elektronischen SystemenDie Wiedergabe von Gebrauchsnamen Handelsnamen Warenbezeichnungen usw in diesem Werk berechtigtauch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- undMarkenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waumlren und daher von jedermann benutzt werden deurourftenDer Verlag die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus dass die Angaben und Informationen in diesemWerk zum Zeitpunkt der Vereurooffentlichung vollstaumlndig und korrekt sind Weder der Verlag noch die Autoren oderdie Herausgeber euroubernehmen ausdreuroucklich oder implizit Gewaumlhr feurour den Inhalt des Werkes etwaige Fehler oderAumluszligerungen

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Vorwort

Das vorliegende Buch ist die eurouberarbeitete und erweiterte Fassung meines 2010 erschie-nenen Buches mit dem Titel bdquoStoszligspannungs- und Stoszligstrommesstechnik ndash GrundlagenMessgeraumlte Messverfahrenldquo Die Neufassung behandelt zusaumltzlich zur Stoszligspannungs-und Stoszligstrommesstechnik die grundlegenden aktuellen Messschaltungen und -technikenfeurour hohe Gleich- und Wechselspannungen die entsprechenden Streuroome Teilentladungensowie elektrische und dielektrische Messgreurooszligen bei Hochspannung Die freurouheren Ab-schnitte feurour elektrooptische und magnetooptische Sensoren sind in einem eigenen Kapitelzusammengefasst In allen Bereichen hat sich durch Einfeurouhrung der Digitaltechnik undrechnergesteuroutzten Messdatenverarbeitung ein bedeutender Wandel bei den Messgeraumltenund Messverfahren ergeben eine Entwicklung die noch laumlngst nicht abgeschlossen istund feurour jede Messaufgabe eine Vielfalt detaillierter Leuroosungsmeurooglichkeiten ergibt

Die Hochspannungsmesstechnik wird als wichtiger Baustein feurour die sichere Uumlber-tragung elektrischer Energie auf Hochspannungspotenzial angesehen Sie stellt hoheAnforderungen an den im Preurouffeld mit den Messungen betrauten Ingenieur und TechnikerAuszliger bei der elektrischen Energieeuroubertragung treten hohe Spannungen und Streuroome auchin anderen Bereichen von Physik und Technik auf in denen sie feurour viele Anwendungengenutzt werden Stichworte hierzu sind Plasmaphysik Teilchenbeschleuniger Leistungs-elektronik Medizintechnik Punktschweiszligtechnik elektronische Zeuroundanlagen feurour Verbren-nungsmotoren Elektroimpulswaffen und elektromagnetische Vertraumlglichkeit Auch indiesen Bereichen kommt der Messtechnik eine besondere Bedeutung zu entweder umeine Uumlber- oder Unterbeanspruchung des Preurouflings zu vermeiden oder um die Qualitaumlt derAnwendung zu gewaumlhrleisten

Grundsaumltzlich ist festzustellen dass sich im Bereich der Energietechnik das internatio-nale Preurouf- und Messwesen nicht zuletzt aufgrund der globalisierten Marktwirtschaftimmer staumlrker auswirkt Dies betrifft zum einen die nationalen und internationalenPreuroufvorschriften die die grundsaumltzlichen Mess- und Auswerteverfahren festlegen undzum anderen das weltweite Netz aus Preurouf- und Kalibrierlaboratorien die nach international

v

vereinbarten Regeln akkreditiert sind und deren Preurouf- und Messergebnisse gegenseitiganerkannt werden Die Einfeurouhrung der digitalen Messtechnik und die in zwei Jahrzehntenenorm verbesserten Eigenschaften von Digitalrecordern und Tischrechnern (PC) erlaubenden weitestgehenden Einsatz von Software mit numerischen Rechenverfahren Dieserleichtert nicht nur die Parameterbestimmung der aufgezeichneten Zeitverlaumlufe sondernermeurooglicht auch die Filterung der Daten von Teilentladungen oder Stoszligspannungen undAnwendung der Faltung zur Beurteilung des dynamischen Verhaltens von Spannungs-teilern und Stromsensoren

Zum Verstaumlndnis des Inhalts werden beim Leser Grundkenntnisse der allgemeinenHochspannungstechnik vorausgesetzt Waumlhrend in Europa die Messeinrichtungen sowiedie Preurouf- und Messtechniken auf die maximale Spannungsebene von 400 kV zugeschnittensind werden in anderen Teilen der Welt mehr als doppelt so hohe Uumlbertragungsspannungenzur Uumlberbreurouckung groszliger Entfernungen zwischen den Energieerzeugern und Verbrauchernbeneurootigt Aufgrund der enormen wirtschaftlichen Entwicklung im asiatischen Raum sindSpannungen von mehr als 1000 kV feurour die Drehstromeuroubertragung und 800 kV feurour dieGleichstromeuroubertragung in der Diskussion In diesem Zusammenhang wird auch hinter-fragt ob sich die bewaumlhrten Messeinrichtungen und Preurouftechniken ohne weiteres auf dieheurooheren Spannungen anwenden lassen

Bei der Danksagung meuroochte ich an vorderster Stelle Herrn Prof Dr-Ing Dr-Ing h cDieter Kind nennen Professor an der TU Braunschweig und ehemaliger Praumlsident derPhysikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin (PTB) Er hat meinenberuflichen Werdegang im Hochspannungslaboratorium der PTB stark beeinflusst undgefeuroordert mich in vielen kleinen und groszligen Angelegenheiten untersteuroutzt und mich indie internationale Gemeinschaft der Hochspannungsfachleute eingefeurouhrt Mein aufrichtigerDank geheuroort den Kollegen in meiner ehemaligen PTB-Arbeitsgruppe und den freurouherenFachkollegen aus anderen Instituten und Firmen feurour ihre wertvolle Untersteuroutzung bei derAusarbeitung des erweiterten Manuskriptes Feurour die Bereitstellung und freundlicheAbdruckgenehmigung des Bildmaterials sei den Autoren und Firmen sowie der PTB-Bildstelle herzlich gedankt Einen besonderen Dank spreche ich den Mitarbeitern desSpringer-Verlages aus feurour die verstaumlndnisvolle Bearbeitung des Buchprojektes bis zurHerausgabe

Braunschweig Klaus SchonSommer 2016

vi Vorwort

Abkeurourzungen

AC WechselstromAD-Wandler Analog-Digital-WandlerAkkStelleG AkkreditierungsstellengesetzBGO Bi4Ge3O12 oder Bi12GeO20

BIPM Bureau International des Poids et MesuresCD-ROM Compact Disc Read-Only MemoryCD KopplungseinheitCIGRE Conseil International des Grands Reacuteseaux EacutelectriquesCISPRE Comiteacute International Speacutecial des Perturbations RadioeacutelectriquesCMC Calibration and Measurement CapabilityDAKKS Deutsche AkkreditierungsstelleDATech Deutsche Akkreditierungsstelle TechnikDA-Wandler Digital-Analog-WandlerDC GleichstromDFT Diskrete Fourier TransformDIN Deutsches Institut feurour NormungDKD Deutscher KalibrierdienstDKE Deutsche Elektrotechnische KommissionDM Digitales MessgeraumltDSP digitaler SignalprozessorEA European co-operation for AccreditationEB Effektive BitzahlEMP Elektromagnetischer ImpulsEMV Elektromagnetische VertraumlglichkeitFFT Fast Fourier TransformFOF fluoreszierende optische FaserFPGA Field Programmable Gate ArrayFS Funkenstreckefsd full-scale deflection

vii

GIL Gasisolierte LeitungGIS Gasisolierte SchaltanlageGPS Globales PositionierungssystemGRIN-Linse Gradient-Index-LinseGTEM Gigahertz Transverse ElectromagneticGUM Guide to the Expression of Uncertainty in MeasurementHGUuml HochspannungsgleichstromeuroubertragungIEC International Electrotechnical CommissionISH Internationales Symposium feurour HochspannungISO International Organization for StandardizationLD Laser-DiodeLED LumineszenzdiodeLI BlitzstoszligspannungLIC abgeschnittene BlitzstoszligspannungLNO LiNbO3

LSB kleinste DigitalisierungsstufeLWL LichtwellenleiterMOSFET Metall-Oxid Halbleiter-FeldeffekttransistorNEMP nuklear erzeugter elektromagnetischer ImpulsOP OperationsverstaumlrkerPE PolyaumlthylenPC Personal computerPMF polarisationserhaltender LichtwellenleiterProc Proceedings (Vortragsband)PRPD Phasenabhaumlngiges TE-MusterPTB Physikalisch-Technische BundesanstaltQS QuantisierungsstufeSI SchaltstoszligspannungSI Internationales EinheitensystemTC Technisches Komitee (der IEC)TDG Test Data GeneratorTE TeilentladungTEA laser Transversely Excited Atmospheric LaserTEM transversal elektromagnetischTHG Oberschwingungsgehalt3PARD 3-Phase Amplitude Relation Diagram3PFRD 3-Phase Frequency Relation Diagram3PTRD 3-Phase Time Relation DiagramUHV UltrahochspannungUV Ultraviolettes LichtUVC sehr kurzwelliges ultraviolettes Licht

viii Abkeurourzungen

VIM Internationales Weuroorterbuch der MetrologieWLAN FunknetzwerkWTO Welthandelsorganisation

Abkeurourzungen ix

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1Literatur 5

2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome 721 Wechselspannungen 722 Wechselstreuroome 9

221 Stationaumlrer Wechselstrom 10222 Kurzzeitwechselstrom 11

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen 12231 Bauarten von Preurouftransformatoren 13232 Kaskadenschaltung von Transformatoren 13233 Resonanzpreuroufanlagen 17

24 Erzeugung hoher Wechselstreuroome 1825 Messung hoher Wechselspannungen 18

251 Kapazitiver Spannungsteiler 192511 Streukapazitaumlten und einfache

Ersatzschaltbilder 20252 Analoge Messgeraumlteschaltungen 21

2521 Einfache Scheitelspannungsmesseinrichtung 222522 Messeinrichtung nach Chubb und Fortescue 22

253 Digitale Messgeraumlteschaltungen 26254 Elektrostatische Voltmeter 28255 Induktive Spannungswandler 28256 Kapazitive Spannungswandler 29257 Elektronische Spannungswandler 30258 Kugelfunkenstrecke 32

26 Messung hoher Wechselstreuroome 35

xi

261 Messwiderstaumlnde 35262 Induktive Stromwandler 35263 Messspulen mit elektronischer Dateneuroubertragung 36

2631 Rogowski-Spulen feurourWechselstrommessungen 37

2632 Strommessung aufHochspannungspotenzial 38

Literatur 40

3 Hohe Gleichspannungen und -streuroome 4331 Gleichspannungen 4332 Gleichstreuroome 45

321 Stationaumlrer Gleichstrom 45322 Kurzzeitgleichstrom 46

33 Erzeugung hoher Gleichspannungen und -streuroome 47331 Gleichrichterschaltungen 48332 Elektrostatische Generatoren 51

34 Messung hoher Gleichspannungen 51341 Messanordnung mit ohmschem Spannungsteiler 52342 Messanordnung mit Vorwiderstand 54343 Temperaturverhalten 56344 Uumlbertragungsverhalten 59

3441 Messung der Welligkeit 60345 Gleichspannungsteiler heuroochster Genauigkeit 61346 Addition von Teilspannungen 64347 Fixpunkte der Hochspannungsskale 65348 Rotationsvoltmeter 66349 Stab-Stab-Funkenstrecke 69

35 Messung hoher Gleichstreuroome 71351 Niederohmige Messwiderstaumlnde 71352 Hall-Stromsensoren 72353 Gleichstromwandler 75

Literatur 76

4 Stoszligspannungen 7941 Definitionen und Parameter von Stoszligspannungen 79

411 Blitzstoszligspannungen 804111 Toleranzen und Messunsicherheiten bei

Preuroufungen 834112 Blitzstoszligspannung mit eurouberlagerter

Schwingung 83

xii Inhaltsverzeichnis

412 Schaltstoszligspannungen 894121 Bestimmung der Scheitelzeit 90

413 Schwingende Stoszligspannungen bei Vor-Ort-Preuroufungen 92414 Steilstoszligspannung 92

42 Erzeugung von Stoszligspannungen 94421 Generatoren feurour Blitz- und Schaltstoszligspannungen 94

4211 Vervielfachungsschaltung 964212 Betrieb des Stoszligspannungsgenerators 964213 Uumlberschwingen der erzeugten

Stoszligspannung 994214 Reurouckenhalbwertszeit bei kleiner induktiver

Last 101422 Erzeugung von schwingenden Stoszligspannungen 101423 Erzeugung von abgeschnittenen Stoszligspannungen 102424 Erzeugung von Steilstoszligspannungen 103

43 Messung von Stoszligspannungen 104431 Messsysteme mit Stoszligspannungsteiler 105

4311 Grundsaumltzliche Anordnung des Preurouf- undMesskreises 105

4312 Komponenten einesStoszligspannungsmesssystems 106

4313 Maszligstabsfaktor 1104314 Streukapazitaumlt zur Erde 1114315 Allgemeine Betrachtung zum

Uumlbertragungsverhalten 1124316 Kettenleiterersatzschaltbild und

Sprungantwort 1144317 Einwirkung von Steuroorungen und

Gegenmaszlignahmen 116432 Messsysteme mit ohmschem Stoszligspannungsteiler 118

4321 Grundsaumltzlicher Aufbau des Messsystems 1184322 Sprungantwort des ohmschen Spannungsteilers

als Kettenleiter 1214323 Einfaches Ersatzschaltbild mit konzentrierten

Elementen 1234324 Feldkonformer Widerstandsteiler 1244325 Optimierter Messabgriff 1254326 Kapazitive Signaleinkopplung in den

Niederspannungsteil 1274327 Spannungsteiler mit waumlssriger Leuroosung 127

Inhaltsverzeichnis xiii

433 Kapazitiver Stoszligspannungsteiler 1284331 Aufbau des Messsystems mit kapazitivem

Spannungsteiler 1284332 Schaltung auf der Niederspannungsseite 1294333 Burch-Abschluss bei langem Messkabel 1304334 Einfache Ersatzschaltbilder mit Erdkapazitaumlt 1304335 Varianten des kapazitiven

Stoszligspannungsteilers 131434 Gedaumlmpft kapazitiver Stoszligspannungsteiler 133

4341 Aufbau des Messsystems mit gedaumlmpftkapazitivem Spannungsteiler 133

4342 Kettenleiterersatzschaltbild undSprungantwort 135

4343 Messkabel und Burch-Abschluss 1374344 Optimierung des Niederspannungsteils 1374345 Optimal und schwach gedaumlmpfte kapazitive

Stoszligspannungsteiler 1384346 Beispiele feurour Referenzteiler 139

435 Ohmsch-kapazitiv gemischter Spannungsteiler 144436 Kugelfunkenstrecke feurour Stoszligspannungsmessungen 146437 Kapazitive Feldsensoren 148

4371 Messprinzip und Ersatzschaltbild 1484372 Feldsensor feurour den Linearitaumltsnachweis von

Spannungsteilern 1504373 Dreidimensionaler Feldsensor 151

Literatur 153

5 Stoszligstreuroome 15951 Definitionen und Parameter von Stoszligstreuroomen 160

511 Exponentielle Stoszligstreuroome 160512 Rechteckstoszligstrom 162

52 Erzeugung von Stoszligstreuroomen 162521 Generatorschaltung feurour exponentielle Stoszligstreuroome 162

5211 Einfluss des Preurouflings auf den Zeitverlauf 1655212 Crowbar-Technik 166

522 Generatorschaltung feurour Rechteckstoszligstreuroome 16753 Messung von Stoszligstreuroomen 168

531 Messsystem mit niederohmigem Messwiderstand 1695311 Erdschleifen und Kopplungsimpedanz 1695312 Leiterwiderstand eines Messkabels 1725313 Induktivitaumlten eines niederohmigen

Widerstandes 173

xiv Inhaltsverzeichnis

5314 Aufbau koaxialer Messwiderstaumlnde 1765315 Stromverdraumlngung (Skineffekt) 1785316 Kettenleiterersatzschaltbild 1815317 Experimentelle Sprungantwort von

Messwiderstaumlnden 1825318 Besondere Bauformen 1845319 Grenzlastintegral 186

532 Messsysteme mit Strommessspule 1885321 Durchflutungs- und Induktionsgesetz 1885322 Integrationsverfahren 1915323 Sprungantwort von Messspulen 1925324 Potenzialfreie Messdateneuroubertragung 1935325 Rogowski-Spulen 1935326 Strommessspulen mit Magnetkern 1995327 Magnetfeldsensor 200

Literatur 203

6 Elektro- und magnetooptische Sensoren 20561 Elektrooptische Effekte 205

611 Pockels-Effekt 2066111 Pockels-Sensoren feurour Feldmessungen 2086112 Pockels-Sensoren feurour

Spannungsmessungen 2126113 Inverser piezoelektrischer Effekt 2146114 Elektrooptische Spannungswandler 215

612 Elektrooptischer Kerr-Effekt 21662 Faraday-Effekt 219

621 Magnetooptische Stromsensoren 220622 Magnetooptische Stromwandler 223

Literatur 223

7 Digitalrecorder Software und Kalibratoren 22771 Aufbau und Eigenschaften von Digitalrecordern 227

711 AD-Wandlung mit Flash-Konverter 228712 Charakteristische Daten des Digitalrecorders 230713 Weitere Eigenschaften des Digitalrecorders 232

72 Fehlerquellen der digitalen Messtechnik 234721 Ideale Quantisierung 235722 Statische differenzielle und integrale Nichtlinearitaumlten 237723 Differenzielle Nichtlinearitaumlt und Haumlufigkeitsverteilung

bei dynamischer Beanspruchung 239724 Diskrete Abtastfehler bei Sinusspannungen 241

Inhaltsverzeichnis xv

725 Effektive Bitzahl 242726 Signalsteilheit und Abtastfehler 244727 Rauschen und Jitter des AD-Wandlers 245728 Sprungantwort des Digitalrecorders 246729 Elektromagnetische Steuroorbeeinflussung 248

73 Software zur Datenauswertung 249731 Preuroufung der Auswertesoftware mit dem TDG 250

74 Kalibriergeneratoren 25175 Anforderungen an Messgeraumlte Software und Kalibratoren 253Literatur 256

8 Darstellung von Impulsen im Zeit- und Frequenzbereich 25981 Analytische Darstellung von Stoszligspannungen 259

811 Mathematischer und virtueller Nullpunkt 263812 Varianten der Stoszligspannung 264813 Parameter von Stoszligspannungen 265814 Spektrum von Stoszligspannungen 266

82 Analytische Darstellung von Stoszligstreuroomen 269821 Bestimmung der Schaltkreiselemente 272822 Spektrum von exponentiellen Stoszligstreuroomen 273

83 Analytische Darstellung von Kurzzeitwechselstreuroomen 273

9 Uumlbertragungsverhalten linearer Systeme Faltung und Entfaltung 27591 Sprungantwort eines Systems 27692 Faltungsintegral und Faltungsalgorithmus 27793 Fourier-Transformation und Uumlbertragungsfunktion 27994 Laplace-Transformation 28295 Eigenschaften von RC- und RLC-Gliedern 284

951 Sprungantwort eines Tiefpasses 284952 Sprungantwort eines Schwingkreises 285953 Uumlbertragungsfunktion von Tiefpass und Schwingkreis 287

96 Antwortzeit Anstiegszeit und Bandbreite 28897 Beispiele feurour die Faltung 291

971 Keilstoszligspannung auf RC-Glied 291972 Keilstoszligspannung auf RLC-Glied 294973 Stoszligspannung auf RC-Glied 295974 Antwortfehler und Fehlerdiagramm 296

98 Experimentelle Sprungantwort 300981 Auswertung der experimentellen Sprungantwort 301982 Antwortparameter der Sprungantwort 301983 Messschaltungen feurour die Sprungantwort 304984 Erzeugung von Sprungspannungen 306

xvi Inhaltsverzeichnis

99 Ergaumlnzende Betrachtungen zum Uumlbertragungsverhalten 310Literatur 313

10 Kalibrierung der Messsysteme 317101 Normung Akkreditierung und Reurouckfeurouhrung 317102 Kalibrierung im Allgemeinen 320103 Kalibrierung von Spannungsmesssystemen 321

1031 Vergleichsmessung mit Referenzsystem 3211032 Besonderheiten bei der Vergleichsmessung 3231033 Kalibrierung eines einzelnen Spannungsteilers 3241034 Festgesetzter Maszligstabsfaktor 325

10341 Vergleich eurouber den gesamten Spannungsbereich(Referenzverfahren) 326

10342 Vergleichsmessung eurouber einen begrenztenSpannungsbereich 327

10343 Kalibrierung der Komponenten(Alternativverfahren) 328

1035 Linearitaumltspreuroufung 3291036 Zeitparameter einer Stoszligspannung 3291037 Dynamisches Verhalten 3301038 Anforderungen an die Sprungantwort 3311039 Fehlerdiagramm feurour Scheitelwert und Zeitparameter 33310310 Einfluss benachbarter Objekte (Naumlheeffekt) 33510311 Kurz- und Langzeitverhalten 336

104 Kalibrierung von Strommesssystemen 3381041 Vergleichsmessung mit Referenzsystem bei Stoszligstrom 3381042 Linearitaumltspreuroufung 3401043 Alternativverfahren feurour Strommesssysteme 3401044 Dynamisches Verhalten 341

105 Kalibrierung von Digitalrecordern 3411051 Kalibrierung mit Exponentialimpulsen 3421052 Kalibrierung mit Sprungspannungen 3421053 Kalibrierung mit Sinusspannungen 343

Literatur 344

11 Kapazitaumlt und Verlustfaktor 347111 Grundlagen 347

1111 Verlustfaktor im Zeigerdiagramm 3481112 Ersatzschaltbilder feurour verlustbehaftetes Dielektrikum 350

112 Messverfahren feurour feste und fleuroussige Dielektrika 351

Inhaltsverzeichnis xvii

113 Messgeraumlte feurour C und tanδ 3521131 Schering-Messbreuroucke 3531132 Schering-Messbreuroucke mit Wagnerschem Hilfszweig 3551133 Messbreuroucke mit Stromkomparator 3571134 C-tanδ-Messgeraumlt mit digitaler Datenerfassung 358

114 Kalibrierung und Reurouckfeurouhrung 3591141 Kalibrierung von C-tanδ-Messgeraumlten 3601142 Verlustfaktornormale 3621143 Kryo-Verlustfaktornormal 364

115 Druckgaskondensatoren 3651151 Konstruktionen 3651152 Einfluss des Gasdrucks 3661153 Temperaturabhaumlngigkeit 3671154 Exzentrizitaumlt und Kapazitaumlt 3681155 Spannungsabhaumlngigkeit der Kapazitaumlt 3701156 Mechanische Eigenschwingung und

Resonanzfrequenz 37311561 Mechanische Eigenschwingung 37311562 Elektrische Resonanz 376

Literatur 377

12 Grundlagen der Teilentladungsmesstechnik 381121 Innere Teilentladungen bei Wechselspannung 382122 Eigenschaften von TE-Impulsen 385123 Scheinbare Ladung 388124 Abgeleitete TE-Messgreurooszligen 388125 TE-Messgeraumlte feurour die scheinbare Ladung 389

1251 Quasi-Integration durch Bandbegrenzung 39012511 Breitband-Messgeraumlt 39112512 Schmalband-Messgeraumlt 39312513 Funksteuroormessgeraumlt 394

1252 Integration der TE-Impulse im Zeitbereich 39412521 Elektronische Integrierschaltung 39512522 Digitale Messdatenerfassung numerische

Integration 3961253 Festlegung der Anzeige als Funktion f(N) 398

126 TE-Preuroufschaltungen nach IEC 60270 399127 Kalibrieren der Preurouf- und Messkreise nach IEC 60270 402

1271 Kalibrierimpulse 4021272 Kalibrieren des vollstaumlndigen Preurouf- und Messkreises 4061273 Genauigkeitsanforderungen 407

xviii Inhaltsverzeichnis

128 Visualisierung von TE-Impulsen 4081281 Phasenabhaumlngiges TE-Muster 4081282 Synchrone Mehrkanalmessung 409

129 Besondere Mess- und Nachweisverfahren 4131291 VHF- und UHF-Messverfahren 413

12911 UHF-Messverfahren feurour GIS 41412912 UHF-Messverfahren feurour Transformatoren 41612913 TE-Messsonde feurour schnelle Vor-Ort-Messung 417

1292 TE-Messverfahren feurour Kabel und Muffen 4191293 Akustische TE-Ortung 4231294 Optische TE-Messverfahren 4261295 Chemische Nachweisverfahren 428

1210 Teilentladungen bei Gleichspannung 4291211 Teilentladungen bei Stoszligspannung 431Literatur 433

13 Bestimmung von Messunsicherheiten 441131 Der GUM 441

1311 Grundkonzept des GUM 4421312 Modellfunktion einer Messung 4431313 Ermittlungsmethode vom Typ A 4451314 Ermittlungsmethode vom Typ B 4461315 Beigeordnete Standardmessunsicherheit 4491316 Erweiterte Messunsicherheit 4511317 Effektiver Freiheitsgrad 4521318 Messunsicherheitsbudget 4531319 Angabe des vollstaumlndigen Messergebnisses 453

132 Abschlieszligende Bemerkungen 453Literatur 455

Anhang A Fourier- und Laplace-Transformation 457

Anhang B Beispiele zur Bestimmung von Messunsicherheiten 463

Sachverzeichnis 473

Inhaltsverzeichnis xix

Einleitung 1

Die Uumlbertragung elektrischer Energie vom Erzeuger zu den Ballungszentren erfolgt vor-wiegend uumlber Freileitungen auf hohem Potential um die Leitungsstreuroome und Uumlber-tragungsverluste gering zu halten In den Ballungszentren selbst wird die Energieweiter verteilt uumlber erdverlegte Hochspannungskabel oder gasisolierte Schaltanlagen(GIS) und Leitungen (GIL) Weltweit uumlblich ist die Energieuumlbertragung mit dreiphasigenWechselspannungen die sich mit Leistungstransformatoren auf die gewuumlnschten Span-nungsebenen hinauf und herunter transformieren lassen Die heuroochsten Spannungsebenenfuumlr die Energieuumlbertragung sind 400 kV in Europa 750 kV in Nordamerika und 1000 kV inAsien Die Frequenz der annaumlhend sinusfeuroormigenWechselspannung betraumlgt 50 Hz in Europaund einer Vielzahl von Laumlndern gegenuumlber 60 Hz in Nord- Mittel- und Teilen vonSuumldamerika Die Deutsche Bahn betreibt ein eigenes Versorgungsnetz mit einphasigerWechselspannung von 110 kV und einer Frequenz von 167 Hz Weiterhin existiert eineVielzahl lokaler Versorgungsnetze fuumlr regionale Bahnen mit unterschiedlichen FrequenzenHohe Wechselspannungen werden auch fuumlr andere Bereiche von Physik und Technikbeneurootigt hauptsaumlchlich in Geraumlten und Anlagen zur Erzeugung von Gleichspannungen durchGleichrichtung

Die Uumlbertragung elektrischer Energie uumlber Entfernungen von mehr als 700 km erfolgtvorteilhaft bei Gleichspannung da hierbei geringere Uumlbertragungsverluste als bei Wechsel-spannung auftreten und greurooszligere Leistungen uumlbertragbar sind Die Spannungen bei der

Hochspannungsgleichstromeuroubertragung (HGeuroU ) betragen in der Regel bis zu 500 kV inAsien sind sogar Anlagen mit maximal 800 kV im Betrieb oder geplant Aber auch kurzeUumlbertragungsstrecken (HGUuml-Kurzkupplungen) zur Verbindung zweier Wechselspannungs-netze mit nicht synchroner Netzfrequenz werden eingesetzt HGUuml-Anlagen findet man auchbei See- oder Erdkabeln mit einer Laumlnge von bis zumehreren 100 kmWeiterhin sei auf die inDeutschland vorgenommene Energiewende hingewiesen bei der zukuumlnftig die durch Wind-kraft im Norden gewonnene Energie uumlber Gleichstromtrassen in die suumldlichen Landesteile

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_1

1

gebracht wird Schlieszliglich werden in einer futuristisch anmutenden Planungsstudie dietechnischen wirtschaftlichen und politischen Voraussetzungen untersucht um die in derSahara in Nordafrika mit Fotovoltaik-Anlagen aufgefangene Sonnenenergie uumlber HGUuml-Trassen nach Europa zu transportieren

Hohe Gleichspannungen werden bei einer Vielzahl weiterer Anwendungen eingesetztz B in Reuroontgenanlagen Staubfilteranlagen Beschichtungs- und Lackieranlagen bei derHerstellung von Aluminium usw Mit elektrostatischen Bandgeneratoren nach van deGraaff lassen sich besonders hohe und oberschwingungsfreie Gleichspannungen von biszu 25 MV erzeugen die jedoch nur mit geringen Stromstaumlrken von einigen Milliamperebelastbar sind und daher fuumlr die elektrische Energieuumlbertragung nicht in Frage kommen Siewerden vorwiegend in Beschleunigeranlagen fuumlr kernphysikalische Grundlagenuntersu-chungen verwendet

In den Betriebsanlagen zur Uumlbertragung und Verteilung elektrischer Energie bei Hoch-

spannung keuroonnen transiente euroUberspannungen mit Scheitelwerten von weit mehr als 1 MVentstehen die damit greurooszliger als die maximalen Uumlbertragungsspannungen bei Gleich- undWechselstrom sind Ursache der Uumlberspannungen sind direkte oder indirekte Blitzeinschleuroageauf Freileitungen oder in Freiluftschaltanlagen Kurzschluumlsse oder Uumlberschlaumlge durch Ver-sagen der elektrischen Isolierung Schaltvorgaumlnge in Umspannwerken und das Ansprechenvon Uumlberspannungsableitern Die transienten Spannungen haben Anstiegszeiten vorwiegendim Bereich von Mikrosekunden bis Millisekunden Bei Uumlber- oder Durchschlaumlgen und beimAnsprechen von Uumlberspannungsableitern kann der Spannungszusammenbruch sehr schnellerfolgen mit Abfallzeiten unter 1 μs Extrem kurze Zeiten im Bereich von wenigen 100 ns bishinunter zu 1 ns treten bei Schalthandlungen und Uumlberschlaumlgen in gasisolierten Schaltanla-gen auf Auch im Niederspannungsnetz keuroonnen beim Ein- und Ausschalten elektrischerGeraumlte transiente Spannungen von mehr als 1 kV auftreten die die Geraumlte in ihrer Funkti-onsweise beeinflussen oder sogar zersteurooren keuroonnen

Die in der Energieversorgung eingesetzten Betriebsmittel sind ebenfalls hohen Gleich-und Wechselstreuroomen ausgesetzt zum Beispiel bei Kurzschluumlssen im VersorgungsnetzDabei kann es zur Uumlberlagerung einer Gleichstromkomponente kommen wodurch derKurzschlusswechselstrom kurzzeitig einen Scheitelwert von 200 kA und mehr erreichtTransiente Ausgleichsstreuroome keuroonnen durch direkte oder indirekte Einwirkung vonBlitzentladungen entstehen mit Scheitelwerten im Bereich von 100 kA und Anstiegszeitenvon 1 μs Erfolgt der Blitzeinschlag in eine Freileitung breiten sich die Stromimpulse nachbeiden Seiten der Leitung aus und verursachen an den Betriebsmitteln am Leitungsendehohe transiente Spannungen die sich der Betriebswechselspannung des Netzes uumlberlagernZum Schutz der Betriebsmittel werden daher Uumlberspannungsableiter eingesetzt BeimAnsprechen der Ableiter keuroonnen sich auch die an der Betriebswechselspannung liegendenLeitungen entladen Die Ableiter werden dadurch mit einem annaumlhernd rechteckfeuroormigenStromimpuls mit einer Zeitdauer im Bereich von 1 ms beansprucht

Auch in anderen Bereichen von Physik und Technik treten hohe impulsfeuroormige Span-nungen und Streuroome mit Anstiegszeiten im Mikro- und Nanosekundenbereich auf oder sindfuumlr bestimmte Anwendungen von Nutzen wie die folgenden Beispiele zeigen In der

2 1 Einleitung

Plasmaphysik werden damit extrem groszlige Magnetfelder zum kurzzeitigen Einschluss vonPlasmen erzeugt Bei elektrischen Punktschweiszligungen erreichen die Impulsstreuroome Schei-telwerte von bis zu 200 kA Elektronische Zuumlndsysteme fuumlr Verbrennungsmotoren erzeu-gen Impulsspannungen mit Scheitelwerten von maximal 30 kV In der Leistungselektroniktreten Impulsspannungen und -streuroome von mehreren 10 kV und bis zu 10 kA auf oderwerden zur Pruumlfung beneurootigt z B fuumlr Solarmodule Elektrizitaumltszaumlhler werden mitStoszligstreuroomen die aus einer netzfrequenten Sinushalbschwingung mit Amplituden vonmehreren Kiloampere bestehen gepruumlft In der Medizintechnik wird durch Umwandlungin akustische Stoszligwellen eine Zertruumlmmerung von Nieren- und Gallensteinen sowie vonKalkablagerungen in Gelenken erzielt Die Wirkung von Elektroimpulswaffen beruht aufSpannungsimpulsen die das Nervensystem des Getroffenen fuumlr eine begrenzte Zeit laumlh-men Schlieszliglich sei auf die vielfaumlltigen Anwendungen bei Untersuchungen zur elektro-magnetischen Vertraumlglichkeit von elektronischen Geraumlten bis hin zu sehr komplexenSystemen wie sie z B Flugzeuge darstellen verwiesen

Die Isolierung der Betriebsmittel wird durch die im Betrieb auftretenden Spannungenund Streuroome einer starken Beanspruchung unterzogen die die Lebensdauer beeinflusst DieKenntnis uumlber die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der verwendeten festenfluumlssigen und gasfeuroormigen Isolierstoffe ist daher ein wichtiger Teil der Hochspannungs-technik Wenn bei der Herstellung eines Betriebsmittels Fehler in der Isolierung auftretenz B bedingt durch Gaseinschluumlsse keuroonnen oberhalb einer bestimmten EinsetzspannungTeilentladungen entstehen Bei laumlngerer Einwirkung der Teilentladungen auf die umge-bende Isolierung kann es zu einer allmaumlhlichen Schaumldigung und schlieszliglich zum vollstaumln-digen Ausfall des Betriebsmittels kommen

Die Zuverlaumlssigkeit der elektrischen Energieversorgung ist eine wichtige Voraussetzungfuumlr eine florierende Wirtschaft in jedem Land und fuumlr das Wohlergehen der BeveuroolkerungJedes Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung wird daher vor seinem Einsatzeiner Reihe von Abnahmepruumlfungen unterzogen Damit werden im Pruumlflabor gegebenen-falls auch als Vor-Ort-Preuroufung am Einsatzort des Betriebsmittels die elektrischen mecha-nischen und thermischen Beanspruchungen nachgebildet die im praktischen Einsatz desBetriebsmittels auftreten keuroonnen Hierzu geheurooren zum einen Pruumlfungen mit der demNetzbetrieb entsprechenden Spannungs- oder Stromart zum anderen Pruumlfungen mit im-pulsfeuroormigen Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroomen Letztere werden im deutschsprachigenRaum als Stoszligspannungen bzw Stoszligstreuroome bezeichnet die den im Betrieb auftretendentransienten Spannungen und Streuroomen entsprechen Die Heuroohe der international genormtenPruumlfspannungen richtet sich nach der Bemessungsspannung der Betriebsmittel Mit sehrsteil ansteigenden Stoszligspannungen lassen sich zwischen platten- oder streifenfeuroormigenElektrodenanordnungen elektromagnetische Felder zur Vertraumlglichkeitspruumlfung elektroni-scher Geraumlte und Systeme erzeugen Auch die Wirkung des bei einer Nuklearexplosion ingroszliger Heuroohe ausgeleuroosten elektromagnetischen Impulses kann auf diese Weise simuliertwerden

Zusaumltzlich zu den Spannungspruumlfungen werden Betriebsmittel einer Teilentladungspruuml-fung im Pruumlflabor unterzogen Zwar ist das Phaumlnomen der Teilentladungen sehr vielschichtig

Einleitung 3

und noch nicht restlos geklaumlrt jedoch weiszlig man auf Grund jahrzehntelanger Erfahrungdass bei Uumlberschreiten einer fuumlr jedes Betriebsmittel individuellen Teilentladungsstaumlrkedie Gefahr einer langfristigen Schaumldigung der Isolierung besteht und das Betriebsmittelvorzeitig ausfaumlllt Zunehmend findet daher ein Online-Monitoring zur permanenten Uumlber-wachung der Teilentladungen statt um rechtzeitig einen meurooglichen Ausfall des Betriebs-mittels zu erkennen Weiterhin werden die elektrischen und dielektrischen Eigenschaftender Hochspannungsisolierung uumlberpruumlft Hierzu geheurooren Messgreurooszligen wie Isolationswider-stand Leitfaumlhigkeit Kapazitaumlt und Verlustfaktor des Pruumlflings

Bei allen Pruumlfungen ist eine fundierte Messtechnik erforderlich sei es weil eine Uumlber-oder Unterbeanspruchung des Betriebsmittels oder Pruumlflings vermieden werden soll oderweil die Qualitaumlt einer Anwendung z B bei einer medizinischen Behandlung oder beimelektrischen Punktschweiszligen gewaumlhrleistet sein muss Die Messung hoher Spannungenund Streuroome von Teilentladungen und dielektrischen Eigenschaften der Isolierstoffe weisteine lange Tradition auf wobei zwei entscheidende Veraumlnderungen eingetreten sind Dieseit Jahrzehnten eingesetzten mechanischen Messgeraumlte und angewandten Messverfahrenwurden schon vor einiger Zeit durch die Verfuumlgbarkeit elektronischer Messgeraumlte weitge-hend abgeleuroost Die Einfuumlhrung der digitalen Messtechnik mit numerischer Datenverarbei-tung stellt eine weitere entscheidende Zaumlsur dar und bedeutet das Ende fuumlr die meistenanalogen Messschaltungen und Messgeraumlte

Die bei Pruumlfungen eingesetzten Messmittel muumlssen hinsichtlich ihrer Messrichtigkeituumlberpruumlft sein In diesem Zusammenhang stehen Begriffe und Inhalte wie Qualitaumltssiche-rung Kalibrierung Ruumlckfuumlhrung der Messungen auf die SI-Einheiten Messunsicherheitinternational anerkannte Pruumlfvorschriften akkreditierte Pruumlf- und Kalibrierlaboratorien

Die Hochspannungs- und Energietechnik wird in der Fachliteratur ausgiebig behandeltvor allem in den aktuellen Konferenzbaumlnden nationaler und internationaler Vortragsveran-staltungen z B bdquoInternational Symposium on High Voltage Engineeringldquo (ISH) Zusam-menfassende Darstellungen finden sich in einer Reihe von Fachbuumlchern in denen dieentsprechende Messtechnik allerdings nur kurz dargestellt wird [1ndash5] Zu einzelnen The-men kann der findige Leser uumlber die bekannten Suchmaschinen auch im Internet mehr oderweniger detaillierte Informationen erhalten Die Fachbuumlcher [6ndash8] die sich speziell mit derHochspannungsmesstechnik oder mit Teilgebieten befassen sind bereits mehrere Jahr-zehnte alt oder nur als unveraumlnderter Nachdruck aumllterer Ausgaben vorhanden

Ein Teilgebiet der Hochspannungsmesstechnik die Messung von Stoszligspannungen undStoszligstreuroomen wird unter Einbeziehung der aktuellen IEC-Pruumlfbestimmungen Kalibrier-verfahren und Unsicherheitsberechnung in dem 2010 herausgegebenen Fachbuch [9]behandelt das 2013 auch in englischer Sprache erschien Das vorliegende Fachbuch stellteine Uumlberarbeitung und Erweiterung des Inhalts dieses Buches dar Es umfasst nun dieMesstechnik fuumlr Gleich- Wechsel- Stoszligspannungen und die entsprechenden StreuroomeTeilentladungen sowie elektrische und dielektrische Messgreurooszligen bei Hochspannung

4 1 Einleitung

Das Buch ist aus der Absicht entstanden die alten aber heute noch guumlltigen Grundlagen derHochspannungsmesstechnik mit den neueren Entwicklungen zu ergaumlnzen die sich alsKonsequenz der verbesserten geraumltetechnischen Ausstattung Einfuumlhrung der analog-digi-talen Datenumwandlung numerischen Datenverarbeitung und den geaumlnderten Pruumlfnormenergeben haben

Literatur

1 Beyer M Boeck W Meurooller K Zaengl W Hochspannungstechnik Theoretische und prakti-sche Grundlagen fuumlr die Anwendung Springer BerlinHeidelbergNew York (1986)

2 Kind D Feser K Hochspannungsversuchstechnik 5 Aufl Friedr Vieweg amp Sohn Braun-schweigWiesbaden (1995) Englische Ausgabe Kind D Feser K High-Voltage Test Techni-ques 2 Aufl Butterworth Heinemann Oxford (2001)

3 Kuumlchler A Hochspannungstechnik Grundlagen ndash Technologie ndashAnwendungen Bd 3 Springer-Verlag BerlinHeidelberg (2009) Englische Ausgabe Kuumlchler A High Voltage EngineeringFundamentals ndash Technology ndash Applications Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York(2013)

4 Kuffel E Zaengl WS Kuffel J High Voltage Engineering ndash Fundamentals 2 Aufl ElsevierNewness Oxford (2000)

5 Hauschild W Lemke E High-Voltage Test and Measuring Techniques Springer HeidelbergNew YorkDordrechtLondon (2013)

6 Schwab AJ Hochspannungsmesstechnik Messgeraumlte und Messverfahren Bd 2 2 Aufl SpringerBerlinHeidelbergNew York (1981) Englische Ausgabe Schwab AJ High-Voltage MeasurementTechniques MIT Press (1972)

7 Asner AM Stoszligspannungs-Meszligtechnik Springer BerlinHeidelbergNew York (1974)8 Hylteacuten-Cavallius N The measurement of high impulse voltages and currents In Claudi A

Bergman A Berlijn S Haumlllstreuroom J (Hrsg) A Review of Seven Decades of Development SPBoras (2004)

9 Schon K Stoszligspannungs- und Stoszligstrommesstechnik Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2010) Englische Ausgabe Schon K High Impulse Voltage and Current MeasurementTechniques Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2013)

Literatur 5

Hohe Wechselspannungen und -stroumlme 2

Die Uumlbertragung elektrischer Energie erfolgt uumlberwiegend mit hohen Wechselspannungenso dass dieser Spannungsart ndash und damit auch den Wechselstreuroomen ndash besondere Bedeutungzukommt Jedes Betriebsmittel fuumlr die elektrische Energieversorgung wird vor demEinsatz auf seine Zuverlaumlssigkeit gepruumlft wobei die Pruumlf- und Messverfahren sowieAnforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome in nationalen und internationalenPruumlfvorschriften festgelegt sind HoheWechselspannungen sind auch deshalb wichtig weilsie zur Erzeugung von Gleich- und Stoszligspannungen sowie fuumlr zahlreiche Anwendungen inPhysik und Technik beneurootigt werden Das Kapitel stellt die genormten Messgreurooszligen undMessverfahren vor geht kurz auf die hauptsaumlchlich verwendeten Spannungs- und Strom-erzeuger ein und befasst sich ausfuumlhrlich mit den Messsystemen und Messgeraumlten dieinzwischen weitgehend in digitaler Ausfuumlhrung mit rechnergestuumltzter Datenverarbeitungeingesetzt werden

21 Wechselspannungen

Die Pruumlf- und Messverfahren fuumlr Betriebsmittel der elektrischen Energieuumlbertragung ein-schlieszliglich der Anforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome sind in nationalenund internationalen Pruumlfvorschriften festgelegt [1ndash5] Hohe Wechselspannungen habenauch deshalb eine besondere Bedeutung da sie die Grundlage zur Erzeugung von Gleich-und Stoszligspannungen darstellen Alle Spannungsformen werden auszliger in der Energiever-sorgung auch fuumlr zahlreiche Aufgaben in Physik und Technik eingesetzt Fuumlr die imNiederspannungsbereich verwendeten Geraumlte mit Bemessungsspannungen von nicht mehrals 1 kV gelten besondere von den Hochspannungspruumlfvorschriften sinngemaumlszlig abgeleitetePruumlfvorschriften [6]

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7

Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

ffiffiffi2

p eth22THORN

Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

u2dt

vuuut eth23THORN

mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

ucirc-

0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth24THORN

der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

i( t)

icirc

ts0

1

ab

2

t

i(t)icirc

0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

vereinbarten Regeln akkreditiert sind und deren Preurouf- und Messergebnisse gegenseitiganerkannt werden Die Einfeurouhrung der digitalen Messtechnik und die in zwei Jahrzehntenenorm verbesserten Eigenschaften von Digitalrecordern und Tischrechnern (PC) erlaubenden weitestgehenden Einsatz von Software mit numerischen Rechenverfahren Dieserleichtert nicht nur die Parameterbestimmung der aufgezeichneten Zeitverlaumlufe sondernermeurooglicht auch die Filterung der Daten von Teilentladungen oder Stoszligspannungen undAnwendung der Faltung zur Beurteilung des dynamischen Verhaltens von Spannungs-teilern und Stromsensoren

Zum Verstaumlndnis des Inhalts werden beim Leser Grundkenntnisse der allgemeinenHochspannungstechnik vorausgesetzt Waumlhrend in Europa die Messeinrichtungen sowiedie Preurouf- und Messtechniken auf die maximale Spannungsebene von 400 kV zugeschnittensind werden in anderen Teilen der Welt mehr als doppelt so hohe Uumlbertragungsspannungenzur Uumlberbreurouckung groszliger Entfernungen zwischen den Energieerzeugern und Verbrauchernbeneurootigt Aufgrund der enormen wirtschaftlichen Entwicklung im asiatischen Raum sindSpannungen von mehr als 1000 kV feurour die Drehstromeuroubertragung und 800 kV feurour dieGleichstromeuroubertragung in der Diskussion In diesem Zusammenhang wird auch hinter-fragt ob sich die bewaumlhrten Messeinrichtungen und Preurouftechniken ohne weiteres auf dieheurooheren Spannungen anwenden lassen

Bei der Danksagung meuroochte ich an vorderster Stelle Herrn Prof Dr-Ing Dr-Ing h cDieter Kind nennen Professor an der TU Braunschweig und ehemaliger Praumlsident derPhysikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin (PTB) Er hat meinenberuflichen Werdegang im Hochspannungslaboratorium der PTB stark beeinflusst undgefeuroordert mich in vielen kleinen und groszligen Angelegenheiten untersteuroutzt und mich indie internationale Gemeinschaft der Hochspannungsfachleute eingefeurouhrt Mein aufrichtigerDank geheuroort den Kollegen in meiner ehemaligen PTB-Arbeitsgruppe und den freurouherenFachkollegen aus anderen Instituten und Firmen feurour ihre wertvolle Untersteuroutzung bei derAusarbeitung des erweiterten Manuskriptes Feurour die Bereitstellung und freundlicheAbdruckgenehmigung des Bildmaterials sei den Autoren und Firmen sowie der PTB-Bildstelle herzlich gedankt Einen besonderen Dank spreche ich den Mitarbeitern desSpringer-Verlages aus feurour die verstaumlndnisvolle Bearbeitung des Buchprojektes bis zurHerausgabe

Braunschweig Klaus SchonSommer 2016

vi Vorwort

Abkeurourzungen

AC WechselstromAD-Wandler Analog-Digital-WandlerAkkStelleG AkkreditierungsstellengesetzBGO Bi4Ge3O12 oder Bi12GeO20

BIPM Bureau International des Poids et MesuresCD-ROM Compact Disc Read-Only MemoryCD KopplungseinheitCIGRE Conseil International des Grands Reacuteseaux EacutelectriquesCISPRE Comiteacute International Speacutecial des Perturbations RadioeacutelectriquesCMC Calibration and Measurement CapabilityDAKKS Deutsche AkkreditierungsstelleDATech Deutsche Akkreditierungsstelle TechnikDA-Wandler Digital-Analog-WandlerDC GleichstromDFT Diskrete Fourier TransformDIN Deutsches Institut feurour NormungDKD Deutscher KalibrierdienstDKE Deutsche Elektrotechnische KommissionDM Digitales MessgeraumltDSP digitaler SignalprozessorEA European co-operation for AccreditationEB Effektive BitzahlEMP Elektromagnetischer ImpulsEMV Elektromagnetische VertraumlglichkeitFFT Fast Fourier TransformFOF fluoreszierende optische FaserFPGA Field Programmable Gate ArrayFS Funkenstreckefsd full-scale deflection

vii

GIL Gasisolierte LeitungGIS Gasisolierte SchaltanlageGPS Globales PositionierungssystemGRIN-Linse Gradient-Index-LinseGTEM Gigahertz Transverse ElectromagneticGUM Guide to the Expression of Uncertainty in MeasurementHGUuml HochspannungsgleichstromeuroubertragungIEC International Electrotechnical CommissionISH Internationales Symposium feurour HochspannungISO International Organization for StandardizationLD Laser-DiodeLED LumineszenzdiodeLI BlitzstoszligspannungLIC abgeschnittene BlitzstoszligspannungLNO LiNbO3

LSB kleinste DigitalisierungsstufeLWL LichtwellenleiterMOSFET Metall-Oxid Halbleiter-FeldeffekttransistorNEMP nuklear erzeugter elektromagnetischer ImpulsOP OperationsverstaumlrkerPE PolyaumlthylenPC Personal computerPMF polarisationserhaltender LichtwellenleiterProc Proceedings (Vortragsband)PRPD Phasenabhaumlngiges TE-MusterPTB Physikalisch-Technische BundesanstaltQS QuantisierungsstufeSI SchaltstoszligspannungSI Internationales EinheitensystemTC Technisches Komitee (der IEC)TDG Test Data GeneratorTE TeilentladungTEA laser Transversely Excited Atmospheric LaserTEM transversal elektromagnetischTHG Oberschwingungsgehalt3PARD 3-Phase Amplitude Relation Diagram3PFRD 3-Phase Frequency Relation Diagram3PTRD 3-Phase Time Relation DiagramUHV UltrahochspannungUV Ultraviolettes LichtUVC sehr kurzwelliges ultraviolettes Licht

viii Abkeurourzungen

VIM Internationales Weuroorterbuch der MetrologieWLAN FunknetzwerkWTO Welthandelsorganisation

Abkeurourzungen ix

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1Literatur 5

2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome 721 Wechselspannungen 722 Wechselstreuroome 9

221 Stationaumlrer Wechselstrom 10222 Kurzzeitwechselstrom 11

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen 12231 Bauarten von Preurouftransformatoren 13232 Kaskadenschaltung von Transformatoren 13233 Resonanzpreuroufanlagen 17

24 Erzeugung hoher Wechselstreuroome 1825 Messung hoher Wechselspannungen 18

251 Kapazitiver Spannungsteiler 192511 Streukapazitaumlten und einfache

Ersatzschaltbilder 20252 Analoge Messgeraumlteschaltungen 21

2521 Einfache Scheitelspannungsmesseinrichtung 222522 Messeinrichtung nach Chubb und Fortescue 22

253 Digitale Messgeraumlteschaltungen 26254 Elektrostatische Voltmeter 28255 Induktive Spannungswandler 28256 Kapazitive Spannungswandler 29257 Elektronische Spannungswandler 30258 Kugelfunkenstrecke 32

26 Messung hoher Wechselstreuroome 35

xi

261 Messwiderstaumlnde 35262 Induktive Stromwandler 35263 Messspulen mit elektronischer Dateneuroubertragung 36

2631 Rogowski-Spulen feurourWechselstrommessungen 37

2632 Strommessung aufHochspannungspotenzial 38

Literatur 40

3 Hohe Gleichspannungen und -streuroome 4331 Gleichspannungen 4332 Gleichstreuroome 45

321 Stationaumlrer Gleichstrom 45322 Kurzzeitgleichstrom 46

33 Erzeugung hoher Gleichspannungen und -streuroome 47331 Gleichrichterschaltungen 48332 Elektrostatische Generatoren 51

34 Messung hoher Gleichspannungen 51341 Messanordnung mit ohmschem Spannungsteiler 52342 Messanordnung mit Vorwiderstand 54343 Temperaturverhalten 56344 Uumlbertragungsverhalten 59

3441 Messung der Welligkeit 60345 Gleichspannungsteiler heuroochster Genauigkeit 61346 Addition von Teilspannungen 64347 Fixpunkte der Hochspannungsskale 65348 Rotationsvoltmeter 66349 Stab-Stab-Funkenstrecke 69

35 Messung hoher Gleichstreuroome 71351 Niederohmige Messwiderstaumlnde 71352 Hall-Stromsensoren 72353 Gleichstromwandler 75

Literatur 76

4 Stoszligspannungen 7941 Definitionen und Parameter von Stoszligspannungen 79

411 Blitzstoszligspannungen 804111 Toleranzen und Messunsicherheiten bei

Preuroufungen 834112 Blitzstoszligspannung mit eurouberlagerter

Schwingung 83

xii Inhaltsverzeichnis

412 Schaltstoszligspannungen 894121 Bestimmung der Scheitelzeit 90

413 Schwingende Stoszligspannungen bei Vor-Ort-Preuroufungen 92414 Steilstoszligspannung 92

42 Erzeugung von Stoszligspannungen 94421 Generatoren feurour Blitz- und Schaltstoszligspannungen 94

4211 Vervielfachungsschaltung 964212 Betrieb des Stoszligspannungsgenerators 964213 Uumlberschwingen der erzeugten

Stoszligspannung 994214 Reurouckenhalbwertszeit bei kleiner induktiver

Last 101422 Erzeugung von schwingenden Stoszligspannungen 101423 Erzeugung von abgeschnittenen Stoszligspannungen 102424 Erzeugung von Steilstoszligspannungen 103

43 Messung von Stoszligspannungen 104431 Messsysteme mit Stoszligspannungsteiler 105

4311 Grundsaumltzliche Anordnung des Preurouf- undMesskreises 105

4312 Komponenten einesStoszligspannungsmesssystems 106

4313 Maszligstabsfaktor 1104314 Streukapazitaumlt zur Erde 1114315 Allgemeine Betrachtung zum

Uumlbertragungsverhalten 1124316 Kettenleiterersatzschaltbild und

Sprungantwort 1144317 Einwirkung von Steuroorungen und

Gegenmaszlignahmen 116432 Messsysteme mit ohmschem Stoszligspannungsteiler 118

4321 Grundsaumltzlicher Aufbau des Messsystems 1184322 Sprungantwort des ohmschen Spannungsteilers

als Kettenleiter 1214323 Einfaches Ersatzschaltbild mit konzentrierten

Elementen 1234324 Feldkonformer Widerstandsteiler 1244325 Optimierter Messabgriff 1254326 Kapazitive Signaleinkopplung in den

Niederspannungsteil 1274327 Spannungsteiler mit waumlssriger Leuroosung 127

Inhaltsverzeichnis xiii

433 Kapazitiver Stoszligspannungsteiler 1284331 Aufbau des Messsystems mit kapazitivem

Spannungsteiler 1284332 Schaltung auf der Niederspannungsseite 1294333 Burch-Abschluss bei langem Messkabel 1304334 Einfache Ersatzschaltbilder mit Erdkapazitaumlt 1304335 Varianten des kapazitiven

Stoszligspannungsteilers 131434 Gedaumlmpft kapazitiver Stoszligspannungsteiler 133

4341 Aufbau des Messsystems mit gedaumlmpftkapazitivem Spannungsteiler 133

4342 Kettenleiterersatzschaltbild undSprungantwort 135

4343 Messkabel und Burch-Abschluss 1374344 Optimierung des Niederspannungsteils 1374345 Optimal und schwach gedaumlmpfte kapazitive

Stoszligspannungsteiler 1384346 Beispiele feurour Referenzteiler 139

435 Ohmsch-kapazitiv gemischter Spannungsteiler 144436 Kugelfunkenstrecke feurour Stoszligspannungsmessungen 146437 Kapazitive Feldsensoren 148

4371 Messprinzip und Ersatzschaltbild 1484372 Feldsensor feurour den Linearitaumltsnachweis von

Spannungsteilern 1504373 Dreidimensionaler Feldsensor 151

Literatur 153

5 Stoszligstreuroome 15951 Definitionen und Parameter von Stoszligstreuroomen 160

511 Exponentielle Stoszligstreuroome 160512 Rechteckstoszligstrom 162

52 Erzeugung von Stoszligstreuroomen 162521 Generatorschaltung feurour exponentielle Stoszligstreuroome 162

5211 Einfluss des Preurouflings auf den Zeitverlauf 1655212 Crowbar-Technik 166

522 Generatorschaltung feurour Rechteckstoszligstreuroome 16753 Messung von Stoszligstreuroomen 168

531 Messsystem mit niederohmigem Messwiderstand 1695311 Erdschleifen und Kopplungsimpedanz 1695312 Leiterwiderstand eines Messkabels 1725313 Induktivitaumlten eines niederohmigen

Widerstandes 173

xiv Inhaltsverzeichnis

5314 Aufbau koaxialer Messwiderstaumlnde 1765315 Stromverdraumlngung (Skineffekt) 1785316 Kettenleiterersatzschaltbild 1815317 Experimentelle Sprungantwort von

Messwiderstaumlnden 1825318 Besondere Bauformen 1845319 Grenzlastintegral 186

532 Messsysteme mit Strommessspule 1885321 Durchflutungs- und Induktionsgesetz 1885322 Integrationsverfahren 1915323 Sprungantwort von Messspulen 1925324 Potenzialfreie Messdateneuroubertragung 1935325 Rogowski-Spulen 1935326 Strommessspulen mit Magnetkern 1995327 Magnetfeldsensor 200

Literatur 203

6 Elektro- und magnetooptische Sensoren 20561 Elektrooptische Effekte 205

611 Pockels-Effekt 2066111 Pockels-Sensoren feurour Feldmessungen 2086112 Pockels-Sensoren feurour

Spannungsmessungen 2126113 Inverser piezoelektrischer Effekt 2146114 Elektrooptische Spannungswandler 215

612 Elektrooptischer Kerr-Effekt 21662 Faraday-Effekt 219

621 Magnetooptische Stromsensoren 220622 Magnetooptische Stromwandler 223

Literatur 223

7 Digitalrecorder Software und Kalibratoren 22771 Aufbau und Eigenschaften von Digitalrecordern 227

711 AD-Wandlung mit Flash-Konverter 228712 Charakteristische Daten des Digitalrecorders 230713 Weitere Eigenschaften des Digitalrecorders 232

72 Fehlerquellen der digitalen Messtechnik 234721 Ideale Quantisierung 235722 Statische differenzielle und integrale Nichtlinearitaumlten 237723 Differenzielle Nichtlinearitaumlt und Haumlufigkeitsverteilung

bei dynamischer Beanspruchung 239724 Diskrete Abtastfehler bei Sinusspannungen 241

Inhaltsverzeichnis xv

725 Effektive Bitzahl 242726 Signalsteilheit und Abtastfehler 244727 Rauschen und Jitter des AD-Wandlers 245728 Sprungantwort des Digitalrecorders 246729 Elektromagnetische Steuroorbeeinflussung 248

73 Software zur Datenauswertung 249731 Preuroufung der Auswertesoftware mit dem TDG 250

74 Kalibriergeneratoren 25175 Anforderungen an Messgeraumlte Software und Kalibratoren 253Literatur 256

8 Darstellung von Impulsen im Zeit- und Frequenzbereich 25981 Analytische Darstellung von Stoszligspannungen 259

811 Mathematischer und virtueller Nullpunkt 263812 Varianten der Stoszligspannung 264813 Parameter von Stoszligspannungen 265814 Spektrum von Stoszligspannungen 266

82 Analytische Darstellung von Stoszligstreuroomen 269821 Bestimmung der Schaltkreiselemente 272822 Spektrum von exponentiellen Stoszligstreuroomen 273

83 Analytische Darstellung von Kurzzeitwechselstreuroomen 273

9 Uumlbertragungsverhalten linearer Systeme Faltung und Entfaltung 27591 Sprungantwort eines Systems 27692 Faltungsintegral und Faltungsalgorithmus 27793 Fourier-Transformation und Uumlbertragungsfunktion 27994 Laplace-Transformation 28295 Eigenschaften von RC- und RLC-Gliedern 284

951 Sprungantwort eines Tiefpasses 284952 Sprungantwort eines Schwingkreises 285953 Uumlbertragungsfunktion von Tiefpass und Schwingkreis 287

96 Antwortzeit Anstiegszeit und Bandbreite 28897 Beispiele feurour die Faltung 291

971 Keilstoszligspannung auf RC-Glied 291972 Keilstoszligspannung auf RLC-Glied 294973 Stoszligspannung auf RC-Glied 295974 Antwortfehler und Fehlerdiagramm 296

98 Experimentelle Sprungantwort 300981 Auswertung der experimentellen Sprungantwort 301982 Antwortparameter der Sprungantwort 301983 Messschaltungen feurour die Sprungantwort 304984 Erzeugung von Sprungspannungen 306

xvi Inhaltsverzeichnis

99 Ergaumlnzende Betrachtungen zum Uumlbertragungsverhalten 310Literatur 313

10 Kalibrierung der Messsysteme 317101 Normung Akkreditierung und Reurouckfeurouhrung 317102 Kalibrierung im Allgemeinen 320103 Kalibrierung von Spannungsmesssystemen 321

1031 Vergleichsmessung mit Referenzsystem 3211032 Besonderheiten bei der Vergleichsmessung 3231033 Kalibrierung eines einzelnen Spannungsteilers 3241034 Festgesetzter Maszligstabsfaktor 325

10341 Vergleich eurouber den gesamten Spannungsbereich(Referenzverfahren) 326

10342 Vergleichsmessung eurouber einen begrenztenSpannungsbereich 327

10343 Kalibrierung der Komponenten(Alternativverfahren) 328

1035 Linearitaumltspreuroufung 3291036 Zeitparameter einer Stoszligspannung 3291037 Dynamisches Verhalten 3301038 Anforderungen an die Sprungantwort 3311039 Fehlerdiagramm feurour Scheitelwert und Zeitparameter 33310310 Einfluss benachbarter Objekte (Naumlheeffekt) 33510311 Kurz- und Langzeitverhalten 336

104 Kalibrierung von Strommesssystemen 3381041 Vergleichsmessung mit Referenzsystem bei Stoszligstrom 3381042 Linearitaumltspreuroufung 3401043 Alternativverfahren feurour Strommesssysteme 3401044 Dynamisches Verhalten 341

105 Kalibrierung von Digitalrecordern 3411051 Kalibrierung mit Exponentialimpulsen 3421052 Kalibrierung mit Sprungspannungen 3421053 Kalibrierung mit Sinusspannungen 343

Literatur 344

11 Kapazitaumlt und Verlustfaktor 347111 Grundlagen 347

1111 Verlustfaktor im Zeigerdiagramm 3481112 Ersatzschaltbilder feurour verlustbehaftetes Dielektrikum 350

112 Messverfahren feurour feste und fleuroussige Dielektrika 351

Inhaltsverzeichnis xvii

113 Messgeraumlte feurour C und tanδ 3521131 Schering-Messbreuroucke 3531132 Schering-Messbreuroucke mit Wagnerschem Hilfszweig 3551133 Messbreuroucke mit Stromkomparator 3571134 C-tanδ-Messgeraumlt mit digitaler Datenerfassung 358

114 Kalibrierung und Reurouckfeurouhrung 3591141 Kalibrierung von C-tanδ-Messgeraumlten 3601142 Verlustfaktornormale 3621143 Kryo-Verlustfaktornormal 364

115 Druckgaskondensatoren 3651151 Konstruktionen 3651152 Einfluss des Gasdrucks 3661153 Temperaturabhaumlngigkeit 3671154 Exzentrizitaumlt und Kapazitaumlt 3681155 Spannungsabhaumlngigkeit der Kapazitaumlt 3701156 Mechanische Eigenschwingung und

Resonanzfrequenz 37311561 Mechanische Eigenschwingung 37311562 Elektrische Resonanz 376

Literatur 377

12 Grundlagen der Teilentladungsmesstechnik 381121 Innere Teilentladungen bei Wechselspannung 382122 Eigenschaften von TE-Impulsen 385123 Scheinbare Ladung 388124 Abgeleitete TE-Messgreurooszligen 388125 TE-Messgeraumlte feurour die scheinbare Ladung 389

1251 Quasi-Integration durch Bandbegrenzung 39012511 Breitband-Messgeraumlt 39112512 Schmalband-Messgeraumlt 39312513 Funksteuroormessgeraumlt 394

1252 Integration der TE-Impulse im Zeitbereich 39412521 Elektronische Integrierschaltung 39512522 Digitale Messdatenerfassung numerische

Integration 3961253 Festlegung der Anzeige als Funktion f(N) 398

126 TE-Preuroufschaltungen nach IEC 60270 399127 Kalibrieren der Preurouf- und Messkreise nach IEC 60270 402

1271 Kalibrierimpulse 4021272 Kalibrieren des vollstaumlndigen Preurouf- und Messkreises 4061273 Genauigkeitsanforderungen 407

xviii Inhaltsverzeichnis

128 Visualisierung von TE-Impulsen 4081281 Phasenabhaumlngiges TE-Muster 4081282 Synchrone Mehrkanalmessung 409

129 Besondere Mess- und Nachweisverfahren 4131291 VHF- und UHF-Messverfahren 413

12911 UHF-Messverfahren feurour GIS 41412912 UHF-Messverfahren feurour Transformatoren 41612913 TE-Messsonde feurour schnelle Vor-Ort-Messung 417

1292 TE-Messverfahren feurour Kabel und Muffen 4191293 Akustische TE-Ortung 4231294 Optische TE-Messverfahren 4261295 Chemische Nachweisverfahren 428

1210 Teilentladungen bei Gleichspannung 4291211 Teilentladungen bei Stoszligspannung 431Literatur 433

13 Bestimmung von Messunsicherheiten 441131 Der GUM 441

1311 Grundkonzept des GUM 4421312 Modellfunktion einer Messung 4431313 Ermittlungsmethode vom Typ A 4451314 Ermittlungsmethode vom Typ B 4461315 Beigeordnete Standardmessunsicherheit 4491316 Erweiterte Messunsicherheit 4511317 Effektiver Freiheitsgrad 4521318 Messunsicherheitsbudget 4531319 Angabe des vollstaumlndigen Messergebnisses 453

132 Abschlieszligende Bemerkungen 453Literatur 455

Anhang A Fourier- und Laplace-Transformation 457

Anhang B Beispiele zur Bestimmung von Messunsicherheiten 463

Sachverzeichnis 473

Inhaltsverzeichnis xix

Einleitung 1

Die Uumlbertragung elektrischer Energie vom Erzeuger zu den Ballungszentren erfolgt vor-wiegend uumlber Freileitungen auf hohem Potential um die Leitungsstreuroome und Uumlber-tragungsverluste gering zu halten In den Ballungszentren selbst wird die Energieweiter verteilt uumlber erdverlegte Hochspannungskabel oder gasisolierte Schaltanlagen(GIS) und Leitungen (GIL) Weltweit uumlblich ist die Energieuumlbertragung mit dreiphasigenWechselspannungen die sich mit Leistungstransformatoren auf die gewuumlnschten Span-nungsebenen hinauf und herunter transformieren lassen Die heuroochsten Spannungsebenenfuumlr die Energieuumlbertragung sind 400 kV in Europa 750 kV in Nordamerika und 1000 kV inAsien Die Frequenz der annaumlhend sinusfeuroormigenWechselspannung betraumlgt 50 Hz in Europaund einer Vielzahl von Laumlndern gegenuumlber 60 Hz in Nord- Mittel- und Teilen vonSuumldamerika Die Deutsche Bahn betreibt ein eigenes Versorgungsnetz mit einphasigerWechselspannung von 110 kV und einer Frequenz von 167 Hz Weiterhin existiert eineVielzahl lokaler Versorgungsnetze fuumlr regionale Bahnen mit unterschiedlichen FrequenzenHohe Wechselspannungen werden auch fuumlr andere Bereiche von Physik und Technikbeneurootigt hauptsaumlchlich in Geraumlten und Anlagen zur Erzeugung von Gleichspannungen durchGleichrichtung

Die Uumlbertragung elektrischer Energie uumlber Entfernungen von mehr als 700 km erfolgtvorteilhaft bei Gleichspannung da hierbei geringere Uumlbertragungsverluste als bei Wechsel-spannung auftreten und greurooszligere Leistungen uumlbertragbar sind Die Spannungen bei der

Hochspannungsgleichstromeuroubertragung (HGeuroU ) betragen in der Regel bis zu 500 kV inAsien sind sogar Anlagen mit maximal 800 kV im Betrieb oder geplant Aber auch kurzeUumlbertragungsstrecken (HGUuml-Kurzkupplungen) zur Verbindung zweier Wechselspannungs-netze mit nicht synchroner Netzfrequenz werden eingesetzt HGUuml-Anlagen findet man auchbei See- oder Erdkabeln mit einer Laumlnge von bis zumehreren 100 kmWeiterhin sei auf die inDeutschland vorgenommene Energiewende hingewiesen bei der zukuumlnftig die durch Wind-kraft im Norden gewonnene Energie uumlber Gleichstromtrassen in die suumldlichen Landesteile

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_1

1

gebracht wird Schlieszliglich werden in einer futuristisch anmutenden Planungsstudie dietechnischen wirtschaftlichen und politischen Voraussetzungen untersucht um die in derSahara in Nordafrika mit Fotovoltaik-Anlagen aufgefangene Sonnenenergie uumlber HGUuml-Trassen nach Europa zu transportieren

Hohe Gleichspannungen werden bei einer Vielzahl weiterer Anwendungen eingesetztz B in Reuroontgenanlagen Staubfilteranlagen Beschichtungs- und Lackieranlagen bei derHerstellung von Aluminium usw Mit elektrostatischen Bandgeneratoren nach van deGraaff lassen sich besonders hohe und oberschwingungsfreie Gleichspannungen von biszu 25 MV erzeugen die jedoch nur mit geringen Stromstaumlrken von einigen Milliamperebelastbar sind und daher fuumlr die elektrische Energieuumlbertragung nicht in Frage kommen Siewerden vorwiegend in Beschleunigeranlagen fuumlr kernphysikalische Grundlagenuntersu-chungen verwendet

In den Betriebsanlagen zur Uumlbertragung und Verteilung elektrischer Energie bei Hoch-

spannung keuroonnen transiente euroUberspannungen mit Scheitelwerten von weit mehr als 1 MVentstehen die damit greurooszliger als die maximalen Uumlbertragungsspannungen bei Gleich- undWechselstrom sind Ursache der Uumlberspannungen sind direkte oder indirekte Blitzeinschleuroageauf Freileitungen oder in Freiluftschaltanlagen Kurzschluumlsse oder Uumlberschlaumlge durch Ver-sagen der elektrischen Isolierung Schaltvorgaumlnge in Umspannwerken und das Ansprechenvon Uumlberspannungsableitern Die transienten Spannungen haben Anstiegszeiten vorwiegendim Bereich von Mikrosekunden bis Millisekunden Bei Uumlber- oder Durchschlaumlgen und beimAnsprechen von Uumlberspannungsableitern kann der Spannungszusammenbruch sehr schnellerfolgen mit Abfallzeiten unter 1 μs Extrem kurze Zeiten im Bereich von wenigen 100 ns bishinunter zu 1 ns treten bei Schalthandlungen und Uumlberschlaumlgen in gasisolierten Schaltanla-gen auf Auch im Niederspannungsnetz keuroonnen beim Ein- und Ausschalten elektrischerGeraumlte transiente Spannungen von mehr als 1 kV auftreten die die Geraumlte in ihrer Funkti-onsweise beeinflussen oder sogar zersteurooren keuroonnen

Die in der Energieversorgung eingesetzten Betriebsmittel sind ebenfalls hohen Gleich-und Wechselstreuroomen ausgesetzt zum Beispiel bei Kurzschluumlssen im VersorgungsnetzDabei kann es zur Uumlberlagerung einer Gleichstromkomponente kommen wodurch derKurzschlusswechselstrom kurzzeitig einen Scheitelwert von 200 kA und mehr erreichtTransiente Ausgleichsstreuroome keuroonnen durch direkte oder indirekte Einwirkung vonBlitzentladungen entstehen mit Scheitelwerten im Bereich von 100 kA und Anstiegszeitenvon 1 μs Erfolgt der Blitzeinschlag in eine Freileitung breiten sich die Stromimpulse nachbeiden Seiten der Leitung aus und verursachen an den Betriebsmitteln am Leitungsendehohe transiente Spannungen die sich der Betriebswechselspannung des Netzes uumlberlagernZum Schutz der Betriebsmittel werden daher Uumlberspannungsableiter eingesetzt BeimAnsprechen der Ableiter keuroonnen sich auch die an der Betriebswechselspannung liegendenLeitungen entladen Die Ableiter werden dadurch mit einem annaumlhernd rechteckfeuroormigenStromimpuls mit einer Zeitdauer im Bereich von 1 ms beansprucht

Auch in anderen Bereichen von Physik und Technik treten hohe impulsfeuroormige Span-nungen und Streuroome mit Anstiegszeiten im Mikro- und Nanosekundenbereich auf oder sindfuumlr bestimmte Anwendungen von Nutzen wie die folgenden Beispiele zeigen In der

2 1 Einleitung

Plasmaphysik werden damit extrem groszlige Magnetfelder zum kurzzeitigen Einschluss vonPlasmen erzeugt Bei elektrischen Punktschweiszligungen erreichen die Impulsstreuroome Schei-telwerte von bis zu 200 kA Elektronische Zuumlndsysteme fuumlr Verbrennungsmotoren erzeu-gen Impulsspannungen mit Scheitelwerten von maximal 30 kV In der Leistungselektroniktreten Impulsspannungen und -streuroome von mehreren 10 kV und bis zu 10 kA auf oderwerden zur Pruumlfung beneurootigt z B fuumlr Solarmodule Elektrizitaumltszaumlhler werden mitStoszligstreuroomen die aus einer netzfrequenten Sinushalbschwingung mit Amplituden vonmehreren Kiloampere bestehen gepruumlft In der Medizintechnik wird durch Umwandlungin akustische Stoszligwellen eine Zertruumlmmerung von Nieren- und Gallensteinen sowie vonKalkablagerungen in Gelenken erzielt Die Wirkung von Elektroimpulswaffen beruht aufSpannungsimpulsen die das Nervensystem des Getroffenen fuumlr eine begrenzte Zeit laumlh-men Schlieszliglich sei auf die vielfaumlltigen Anwendungen bei Untersuchungen zur elektro-magnetischen Vertraumlglichkeit von elektronischen Geraumlten bis hin zu sehr komplexenSystemen wie sie z B Flugzeuge darstellen verwiesen

Die Isolierung der Betriebsmittel wird durch die im Betrieb auftretenden Spannungenund Streuroome einer starken Beanspruchung unterzogen die die Lebensdauer beeinflusst DieKenntnis uumlber die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der verwendeten festenfluumlssigen und gasfeuroormigen Isolierstoffe ist daher ein wichtiger Teil der Hochspannungs-technik Wenn bei der Herstellung eines Betriebsmittels Fehler in der Isolierung auftretenz B bedingt durch Gaseinschluumlsse keuroonnen oberhalb einer bestimmten EinsetzspannungTeilentladungen entstehen Bei laumlngerer Einwirkung der Teilentladungen auf die umge-bende Isolierung kann es zu einer allmaumlhlichen Schaumldigung und schlieszliglich zum vollstaumln-digen Ausfall des Betriebsmittels kommen

Die Zuverlaumlssigkeit der elektrischen Energieversorgung ist eine wichtige Voraussetzungfuumlr eine florierende Wirtschaft in jedem Land und fuumlr das Wohlergehen der BeveuroolkerungJedes Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung wird daher vor seinem Einsatzeiner Reihe von Abnahmepruumlfungen unterzogen Damit werden im Pruumlflabor gegebenen-falls auch als Vor-Ort-Preuroufung am Einsatzort des Betriebsmittels die elektrischen mecha-nischen und thermischen Beanspruchungen nachgebildet die im praktischen Einsatz desBetriebsmittels auftreten keuroonnen Hierzu geheurooren zum einen Pruumlfungen mit der demNetzbetrieb entsprechenden Spannungs- oder Stromart zum anderen Pruumlfungen mit im-pulsfeuroormigen Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroomen Letztere werden im deutschsprachigenRaum als Stoszligspannungen bzw Stoszligstreuroome bezeichnet die den im Betrieb auftretendentransienten Spannungen und Streuroomen entsprechen Die Heuroohe der international genormtenPruumlfspannungen richtet sich nach der Bemessungsspannung der Betriebsmittel Mit sehrsteil ansteigenden Stoszligspannungen lassen sich zwischen platten- oder streifenfeuroormigenElektrodenanordnungen elektromagnetische Felder zur Vertraumlglichkeitspruumlfung elektroni-scher Geraumlte und Systeme erzeugen Auch die Wirkung des bei einer Nuklearexplosion ingroszliger Heuroohe ausgeleuroosten elektromagnetischen Impulses kann auf diese Weise simuliertwerden

Zusaumltzlich zu den Spannungspruumlfungen werden Betriebsmittel einer Teilentladungspruuml-fung im Pruumlflabor unterzogen Zwar ist das Phaumlnomen der Teilentladungen sehr vielschichtig

Einleitung 3

und noch nicht restlos geklaumlrt jedoch weiszlig man auf Grund jahrzehntelanger Erfahrungdass bei Uumlberschreiten einer fuumlr jedes Betriebsmittel individuellen Teilentladungsstaumlrkedie Gefahr einer langfristigen Schaumldigung der Isolierung besteht und das Betriebsmittelvorzeitig ausfaumlllt Zunehmend findet daher ein Online-Monitoring zur permanenten Uumlber-wachung der Teilentladungen statt um rechtzeitig einen meurooglichen Ausfall des Betriebs-mittels zu erkennen Weiterhin werden die elektrischen und dielektrischen Eigenschaftender Hochspannungsisolierung uumlberpruumlft Hierzu geheurooren Messgreurooszligen wie Isolationswider-stand Leitfaumlhigkeit Kapazitaumlt und Verlustfaktor des Pruumlflings

Bei allen Pruumlfungen ist eine fundierte Messtechnik erforderlich sei es weil eine Uumlber-oder Unterbeanspruchung des Betriebsmittels oder Pruumlflings vermieden werden soll oderweil die Qualitaumlt einer Anwendung z B bei einer medizinischen Behandlung oder beimelektrischen Punktschweiszligen gewaumlhrleistet sein muss Die Messung hoher Spannungenund Streuroome von Teilentladungen und dielektrischen Eigenschaften der Isolierstoffe weisteine lange Tradition auf wobei zwei entscheidende Veraumlnderungen eingetreten sind Dieseit Jahrzehnten eingesetzten mechanischen Messgeraumlte und angewandten Messverfahrenwurden schon vor einiger Zeit durch die Verfuumlgbarkeit elektronischer Messgeraumlte weitge-hend abgeleuroost Die Einfuumlhrung der digitalen Messtechnik mit numerischer Datenverarbei-tung stellt eine weitere entscheidende Zaumlsur dar und bedeutet das Ende fuumlr die meistenanalogen Messschaltungen und Messgeraumlte

Die bei Pruumlfungen eingesetzten Messmittel muumlssen hinsichtlich ihrer Messrichtigkeituumlberpruumlft sein In diesem Zusammenhang stehen Begriffe und Inhalte wie Qualitaumltssiche-rung Kalibrierung Ruumlckfuumlhrung der Messungen auf die SI-Einheiten Messunsicherheitinternational anerkannte Pruumlfvorschriften akkreditierte Pruumlf- und Kalibrierlaboratorien

Die Hochspannungs- und Energietechnik wird in der Fachliteratur ausgiebig behandeltvor allem in den aktuellen Konferenzbaumlnden nationaler und internationaler Vortragsveran-staltungen z B bdquoInternational Symposium on High Voltage Engineeringldquo (ISH) Zusam-menfassende Darstellungen finden sich in einer Reihe von Fachbuumlchern in denen dieentsprechende Messtechnik allerdings nur kurz dargestellt wird [1ndash5] Zu einzelnen The-men kann der findige Leser uumlber die bekannten Suchmaschinen auch im Internet mehr oderweniger detaillierte Informationen erhalten Die Fachbuumlcher [6ndash8] die sich speziell mit derHochspannungsmesstechnik oder mit Teilgebieten befassen sind bereits mehrere Jahr-zehnte alt oder nur als unveraumlnderter Nachdruck aumllterer Ausgaben vorhanden

Ein Teilgebiet der Hochspannungsmesstechnik die Messung von Stoszligspannungen undStoszligstreuroomen wird unter Einbeziehung der aktuellen IEC-Pruumlfbestimmungen Kalibrier-verfahren und Unsicherheitsberechnung in dem 2010 herausgegebenen Fachbuch [9]behandelt das 2013 auch in englischer Sprache erschien Das vorliegende Fachbuch stellteine Uumlberarbeitung und Erweiterung des Inhalts dieses Buches dar Es umfasst nun dieMesstechnik fuumlr Gleich- Wechsel- Stoszligspannungen und die entsprechenden StreuroomeTeilentladungen sowie elektrische und dielektrische Messgreurooszligen bei Hochspannung

4 1 Einleitung

Das Buch ist aus der Absicht entstanden die alten aber heute noch guumlltigen Grundlagen derHochspannungsmesstechnik mit den neueren Entwicklungen zu ergaumlnzen die sich alsKonsequenz der verbesserten geraumltetechnischen Ausstattung Einfuumlhrung der analog-digi-talen Datenumwandlung numerischen Datenverarbeitung und den geaumlnderten Pruumlfnormenergeben haben

Literatur

1 Beyer M Boeck W Meurooller K Zaengl W Hochspannungstechnik Theoretische und prakti-sche Grundlagen fuumlr die Anwendung Springer BerlinHeidelbergNew York (1986)

2 Kind D Feser K Hochspannungsversuchstechnik 5 Aufl Friedr Vieweg amp Sohn Braun-schweigWiesbaden (1995) Englische Ausgabe Kind D Feser K High-Voltage Test Techni-ques 2 Aufl Butterworth Heinemann Oxford (2001)

3 Kuumlchler A Hochspannungstechnik Grundlagen ndash Technologie ndashAnwendungen Bd 3 Springer-Verlag BerlinHeidelberg (2009) Englische Ausgabe Kuumlchler A High Voltage EngineeringFundamentals ndash Technology ndash Applications Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York(2013)

4 Kuffel E Zaengl WS Kuffel J High Voltage Engineering ndash Fundamentals 2 Aufl ElsevierNewness Oxford (2000)

5 Hauschild W Lemke E High-Voltage Test and Measuring Techniques Springer HeidelbergNew YorkDordrechtLondon (2013)

6 Schwab AJ Hochspannungsmesstechnik Messgeraumlte und Messverfahren Bd 2 2 Aufl SpringerBerlinHeidelbergNew York (1981) Englische Ausgabe Schwab AJ High-Voltage MeasurementTechniques MIT Press (1972)

7 Asner AM Stoszligspannungs-Meszligtechnik Springer BerlinHeidelbergNew York (1974)8 Hylteacuten-Cavallius N The measurement of high impulse voltages and currents In Claudi A

Bergman A Berlijn S Haumlllstreuroom J (Hrsg) A Review of Seven Decades of Development SPBoras (2004)

9 Schon K Stoszligspannungs- und Stoszligstrommesstechnik Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2010) Englische Ausgabe Schon K High Impulse Voltage and Current MeasurementTechniques Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2013)

Literatur 5

Hohe Wechselspannungen und -stroumlme 2

Die Uumlbertragung elektrischer Energie erfolgt uumlberwiegend mit hohen Wechselspannungenso dass dieser Spannungsart ndash und damit auch den Wechselstreuroomen ndash besondere Bedeutungzukommt Jedes Betriebsmittel fuumlr die elektrische Energieversorgung wird vor demEinsatz auf seine Zuverlaumlssigkeit gepruumlft wobei die Pruumlf- und Messverfahren sowieAnforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome in nationalen und internationalenPruumlfvorschriften festgelegt sind HoheWechselspannungen sind auch deshalb wichtig weilsie zur Erzeugung von Gleich- und Stoszligspannungen sowie fuumlr zahlreiche Anwendungen inPhysik und Technik beneurootigt werden Das Kapitel stellt die genormten Messgreurooszligen undMessverfahren vor geht kurz auf die hauptsaumlchlich verwendeten Spannungs- und Strom-erzeuger ein und befasst sich ausfuumlhrlich mit den Messsystemen und Messgeraumlten dieinzwischen weitgehend in digitaler Ausfuumlhrung mit rechnergestuumltzter Datenverarbeitungeingesetzt werden

21 Wechselspannungen

Die Pruumlf- und Messverfahren fuumlr Betriebsmittel der elektrischen Energieuumlbertragung ein-schlieszliglich der Anforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome sind in nationalenund internationalen Pruumlfvorschriften festgelegt [1ndash5] Hohe Wechselspannungen habenauch deshalb eine besondere Bedeutung da sie die Grundlage zur Erzeugung von Gleich-und Stoszligspannungen darstellen Alle Spannungsformen werden auszliger in der Energiever-sorgung auch fuumlr zahlreiche Aufgaben in Physik und Technik eingesetzt Fuumlr die imNiederspannungsbereich verwendeten Geraumlte mit Bemessungsspannungen von nicht mehrals 1 kV gelten besondere von den Hochspannungspruumlfvorschriften sinngemaumlszlig abgeleitetePruumlfvorschriften [6]

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_2

7

Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

ffiffiffi2

p eth22THORN

Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

u2dt

vuuut eth23THORN

mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

ucirc-

0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth24THORN

der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

i( t)

icirc

ts0

1

ab

2

t

i(t)icirc

0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Abkeurourzungen

AC WechselstromAD-Wandler Analog-Digital-WandlerAkkStelleG AkkreditierungsstellengesetzBGO Bi4Ge3O12 oder Bi12GeO20

BIPM Bureau International des Poids et MesuresCD-ROM Compact Disc Read-Only MemoryCD KopplungseinheitCIGRE Conseil International des Grands Reacuteseaux EacutelectriquesCISPRE Comiteacute International Speacutecial des Perturbations RadioeacutelectriquesCMC Calibration and Measurement CapabilityDAKKS Deutsche AkkreditierungsstelleDATech Deutsche Akkreditierungsstelle TechnikDA-Wandler Digital-Analog-WandlerDC GleichstromDFT Diskrete Fourier TransformDIN Deutsches Institut feurour NormungDKD Deutscher KalibrierdienstDKE Deutsche Elektrotechnische KommissionDM Digitales MessgeraumltDSP digitaler SignalprozessorEA European co-operation for AccreditationEB Effektive BitzahlEMP Elektromagnetischer ImpulsEMV Elektromagnetische VertraumlglichkeitFFT Fast Fourier TransformFOF fluoreszierende optische FaserFPGA Field Programmable Gate ArrayFS Funkenstreckefsd full-scale deflection

vii

GIL Gasisolierte LeitungGIS Gasisolierte SchaltanlageGPS Globales PositionierungssystemGRIN-Linse Gradient-Index-LinseGTEM Gigahertz Transverse ElectromagneticGUM Guide to the Expression of Uncertainty in MeasurementHGUuml HochspannungsgleichstromeuroubertragungIEC International Electrotechnical CommissionISH Internationales Symposium feurour HochspannungISO International Organization for StandardizationLD Laser-DiodeLED LumineszenzdiodeLI BlitzstoszligspannungLIC abgeschnittene BlitzstoszligspannungLNO LiNbO3

LSB kleinste DigitalisierungsstufeLWL LichtwellenleiterMOSFET Metall-Oxid Halbleiter-FeldeffekttransistorNEMP nuklear erzeugter elektromagnetischer ImpulsOP OperationsverstaumlrkerPE PolyaumlthylenPC Personal computerPMF polarisationserhaltender LichtwellenleiterProc Proceedings (Vortragsband)PRPD Phasenabhaumlngiges TE-MusterPTB Physikalisch-Technische BundesanstaltQS QuantisierungsstufeSI SchaltstoszligspannungSI Internationales EinheitensystemTC Technisches Komitee (der IEC)TDG Test Data GeneratorTE TeilentladungTEA laser Transversely Excited Atmospheric LaserTEM transversal elektromagnetischTHG Oberschwingungsgehalt3PARD 3-Phase Amplitude Relation Diagram3PFRD 3-Phase Frequency Relation Diagram3PTRD 3-Phase Time Relation DiagramUHV UltrahochspannungUV Ultraviolettes LichtUVC sehr kurzwelliges ultraviolettes Licht

viii Abkeurourzungen

VIM Internationales Weuroorterbuch der MetrologieWLAN FunknetzwerkWTO Welthandelsorganisation

Abkeurourzungen ix

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1Literatur 5

2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome 721 Wechselspannungen 722 Wechselstreuroome 9

221 Stationaumlrer Wechselstrom 10222 Kurzzeitwechselstrom 11

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen 12231 Bauarten von Preurouftransformatoren 13232 Kaskadenschaltung von Transformatoren 13233 Resonanzpreuroufanlagen 17

24 Erzeugung hoher Wechselstreuroome 1825 Messung hoher Wechselspannungen 18

251 Kapazitiver Spannungsteiler 192511 Streukapazitaumlten und einfache

Ersatzschaltbilder 20252 Analoge Messgeraumlteschaltungen 21

2521 Einfache Scheitelspannungsmesseinrichtung 222522 Messeinrichtung nach Chubb und Fortescue 22

253 Digitale Messgeraumlteschaltungen 26254 Elektrostatische Voltmeter 28255 Induktive Spannungswandler 28256 Kapazitive Spannungswandler 29257 Elektronische Spannungswandler 30258 Kugelfunkenstrecke 32

26 Messung hoher Wechselstreuroome 35

xi

261 Messwiderstaumlnde 35262 Induktive Stromwandler 35263 Messspulen mit elektronischer Dateneuroubertragung 36

2631 Rogowski-Spulen feurourWechselstrommessungen 37

2632 Strommessung aufHochspannungspotenzial 38

Literatur 40

3 Hohe Gleichspannungen und -streuroome 4331 Gleichspannungen 4332 Gleichstreuroome 45

321 Stationaumlrer Gleichstrom 45322 Kurzzeitgleichstrom 46

33 Erzeugung hoher Gleichspannungen und -streuroome 47331 Gleichrichterschaltungen 48332 Elektrostatische Generatoren 51

34 Messung hoher Gleichspannungen 51341 Messanordnung mit ohmschem Spannungsteiler 52342 Messanordnung mit Vorwiderstand 54343 Temperaturverhalten 56344 Uumlbertragungsverhalten 59

3441 Messung der Welligkeit 60345 Gleichspannungsteiler heuroochster Genauigkeit 61346 Addition von Teilspannungen 64347 Fixpunkte der Hochspannungsskale 65348 Rotationsvoltmeter 66349 Stab-Stab-Funkenstrecke 69

35 Messung hoher Gleichstreuroome 71351 Niederohmige Messwiderstaumlnde 71352 Hall-Stromsensoren 72353 Gleichstromwandler 75

Literatur 76

4 Stoszligspannungen 7941 Definitionen und Parameter von Stoszligspannungen 79

411 Blitzstoszligspannungen 804111 Toleranzen und Messunsicherheiten bei

Preuroufungen 834112 Blitzstoszligspannung mit eurouberlagerter

Schwingung 83

xii Inhaltsverzeichnis

412 Schaltstoszligspannungen 894121 Bestimmung der Scheitelzeit 90

413 Schwingende Stoszligspannungen bei Vor-Ort-Preuroufungen 92414 Steilstoszligspannung 92

42 Erzeugung von Stoszligspannungen 94421 Generatoren feurour Blitz- und Schaltstoszligspannungen 94

4211 Vervielfachungsschaltung 964212 Betrieb des Stoszligspannungsgenerators 964213 Uumlberschwingen der erzeugten

Stoszligspannung 994214 Reurouckenhalbwertszeit bei kleiner induktiver

Last 101422 Erzeugung von schwingenden Stoszligspannungen 101423 Erzeugung von abgeschnittenen Stoszligspannungen 102424 Erzeugung von Steilstoszligspannungen 103

43 Messung von Stoszligspannungen 104431 Messsysteme mit Stoszligspannungsteiler 105

4311 Grundsaumltzliche Anordnung des Preurouf- undMesskreises 105

4312 Komponenten einesStoszligspannungsmesssystems 106

4313 Maszligstabsfaktor 1104314 Streukapazitaumlt zur Erde 1114315 Allgemeine Betrachtung zum

Uumlbertragungsverhalten 1124316 Kettenleiterersatzschaltbild und

Sprungantwort 1144317 Einwirkung von Steuroorungen und

Gegenmaszlignahmen 116432 Messsysteme mit ohmschem Stoszligspannungsteiler 118

4321 Grundsaumltzlicher Aufbau des Messsystems 1184322 Sprungantwort des ohmschen Spannungsteilers

als Kettenleiter 1214323 Einfaches Ersatzschaltbild mit konzentrierten

Elementen 1234324 Feldkonformer Widerstandsteiler 1244325 Optimierter Messabgriff 1254326 Kapazitive Signaleinkopplung in den

Niederspannungsteil 1274327 Spannungsteiler mit waumlssriger Leuroosung 127

Inhaltsverzeichnis xiii

433 Kapazitiver Stoszligspannungsteiler 1284331 Aufbau des Messsystems mit kapazitivem

Spannungsteiler 1284332 Schaltung auf der Niederspannungsseite 1294333 Burch-Abschluss bei langem Messkabel 1304334 Einfache Ersatzschaltbilder mit Erdkapazitaumlt 1304335 Varianten des kapazitiven

Stoszligspannungsteilers 131434 Gedaumlmpft kapazitiver Stoszligspannungsteiler 133

4341 Aufbau des Messsystems mit gedaumlmpftkapazitivem Spannungsteiler 133

4342 Kettenleiterersatzschaltbild undSprungantwort 135

4343 Messkabel und Burch-Abschluss 1374344 Optimierung des Niederspannungsteils 1374345 Optimal und schwach gedaumlmpfte kapazitive

Stoszligspannungsteiler 1384346 Beispiele feurour Referenzteiler 139

435 Ohmsch-kapazitiv gemischter Spannungsteiler 144436 Kugelfunkenstrecke feurour Stoszligspannungsmessungen 146437 Kapazitive Feldsensoren 148

4371 Messprinzip und Ersatzschaltbild 1484372 Feldsensor feurour den Linearitaumltsnachweis von

Spannungsteilern 1504373 Dreidimensionaler Feldsensor 151

Literatur 153

5 Stoszligstreuroome 15951 Definitionen und Parameter von Stoszligstreuroomen 160

511 Exponentielle Stoszligstreuroome 160512 Rechteckstoszligstrom 162

52 Erzeugung von Stoszligstreuroomen 162521 Generatorschaltung feurour exponentielle Stoszligstreuroome 162

5211 Einfluss des Preurouflings auf den Zeitverlauf 1655212 Crowbar-Technik 166

522 Generatorschaltung feurour Rechteckstoszligstreuroome 16753 Messung von Stoszligstreuroomen 168

531 Messsystem mit niederohmigem Messwiderstand 1695311 Erdschleifen und Kopplungsimpedanz 1695312 Leiterwiderstand eines Messkabels 1725313 Induktivitaumlten eines niederohmigen

Widerstandes 173

xiv Inhaltsverzeichnis

5314 Aufbau koaxialer Messwiderstaumlnde 1765315 Stromverdraumlngung (Skineffekt) 1785316 Kettenleiterersatzschaltbild 1815317 Experimentelle Sprungantwort von

Messwiderstaumlnden 1825318 Besondere Bauformen 1845319 Grenzlastintegral 186

532 Messsysteme mit Strommessspule 1885321 Durchflutungs- und Induktionsgesetz 1885322 Integrationsverfahren 1915323 Sprungantwort von Messspulen 1925324 Potenzialfreie Messdateneuroubertragung 1935325 Rogowski-Spulen 1935326 Strommessspulen mit Magnetkern 1995327 Magnetfeldsensor 200

Literatur 203

6 Elektro- und magnetooptische Sensoren 20561 Elektrooptische Effekte 205

611 Pockels-Effekt 2066111 Pockels-Sensoren feurour Feldmessungen 2086112 Pockels-Sensoren feurour

Spannungsmessungen 2126113 Inverser piezoelektrischer Effekt 2146114 Elektrooptische Spannungswandler 215

612 Elektrooptischer Kerr-Effekt 21662 Faraday-Effekt 219

621 Magnetooptische Stromsensoren 220622 Magnetooptische Stromwandler 223

Literatur 223

7 Digitalrecorder Software und Kalibratoren 22771 Aufbau und Eigenschaften von Digitalrecordern 227

711 AD-Wandlung mit Flash-Konverter 228712 Charakteristische Daten des Digitalrecorders 230713 Weitere Eigenschaften des Digitalrecorders 232

72 Fehlerquellen der digitalen Messtechnik 234721 Ideale Quantisierung 235722 Statische differenzielle und integrale Nichtlinearitaumlten 237723 Differenzielle Nichtlinearitaumlt und Haumlufigkeitsverteilung

bei dynamischer Beanspruchung 239724 Diskrete Abtastfehler bei Sinusspannungen 241

Inhaltsverzeichnis xv

725 Effektive Bitzahl 242726 Signalsteilheit und Abtastfehler 244727 Rauschen und Jitter des AD-Wandlers 245728 Sprungantwort des Digitalrecorders 246729 Elektromagnetische Steuroorbeeinflussung 248

73 Software zur Datenauswertung 249731 Preuroufung der Auswertesoftware mit dem TDG 250

74 Kalibriergeneratoren 25175 Anforderungen an Messgeraumlte Software und Kalibratoren 253Literatur 256

8 Darstellung von Impulsen im Zeit- und Frequenzbereich 25981 Analytische Darstellung von Stoszligspannungen 259

811 Mathematischer und virtueller Nullpunkt 263812 Varianten der Stoszligspannung 264813 Parameter von Stoszligspannungen 265814 Spektrum von Stoszligspannungen 266

82 Analytische Darstellung von Stoszligstreuroomen 269821 Bestimmung der Schaltkreiselemente 272822 Spektrum von exponentiellen Stoszligstreuroomen 273

83 Analytische Darstellung von Kurzzeitwechselstreuroomen 273

9 Uumlbertragungsverhalten linearer Systeme Faltung und Entfaltung 27591 Sprungantwort eines Systems 27692 Faltungsintegral und Faltungsalgorithmus 27793 Fourier-Transformation und Uumlbertragungsfunktion 27994 Laplace-Transformation 28295 Eigenschaften von RC- und RLC-Gliedern 284

951 Sprungantwort eines Tiefpasses 284952 Sprungantwort eines Schwingkreises 285953 Uumlbertragungsfunktion von Tiefpass und Schwingkreis 287

96 Antwortzeit Anstiegszeit und Bandbreite 28897 Beispiele feurour die Faltung 291

971 Keilstoszligspannung auf RC-Glied 291972 Keilstoszligspannung auf RLC-Glied 294973 Stoszligspannung auf RC-Glied 295974 Antwortfehler und Fehlerdiagramm 296

98 Experimentelle Sprungantwort 300981 Auswertung der experimentellen Sprungantwort 301982 Antwortparameter der Sprungantwort 301983 Messschaltungen feurour die Sprungantwort 304984 Erzeugung von Sprungspannungen 306

xvi Inhaltsverzeichnis

99 Ergaumlnzende Betrachtungen zum Uumlbertragungsverhalten 310Literatur 313

10 Kalibrierung der Messsysteme 317101 Normung Akkreditierung und Reurouckfeurouhrung 317102 Kalibrierung im Allgemeinen 320103 Kalibrierung von Spannungsmesssystemen 321

1031 Vergleichsmessung mit Referenzsystem 3211032 Besonderheiten bei der Vergleichsmessung 3231033 Kalibrierung eines einzelnen Spannungsteilers 3241034 Festgesetzter Maszligstabsfaktor 325

10341 Vergleich eurouber den gesamten Spannungsbereich(Referenzverfahren) 326

10342 Vergleichsmessung eurouber einen begrenztenSpannungsbereich 327

10343 Kalibrierung der Komponenten(Alternativverfahren) 328

1035 Linearitaumltspreuroufung 3291036 Zeitparameter einer Stoszligspannung 3291037 Dynamisches Verhalten 3301038 Anforderungen an die Sprungantwort 3311039 Fehlerdiagramm feurour Scheitelwert und Zeitparameter 33310310 Einfluss benachbarter Objekte (Naumlheeffekt) 33510311 Kurz- und Langzeitverhalten 336

104 Kalibrierung von Strommesssystemen 3381041 Vergleichsmessung mit Referenzsystem bei Stoszligstrom 3381042 Linearitaumltspreuroufung 3401043 Alternativverfahren feurour Strommesssysteme 3401044 Dynamisches Verhalten 341

105 Kalibrierung von Digitalrecordern 3411051 Kalibrierung mit Exponentialimpulsen 3421052 Kalibrierung mit Sprungspannungen 3421053 Kalibrierung mit Sinusspannungen 343

Literatur 344

11 Kapazitaumlt und Verlustfaktor 347111 Grundlagen 347

1111 Verlustfaktor im Zeigerdiagramm 3481112 Ersatzschaltbilder feurour verlustbehaftetes Dielektrikum 350

112 Messverfahren feurour feste und fleuroussige Dielektrika 351

Inhaltsverzeichnis xvii

113 Messgeraumlte feurour C und tanδ 3521131 Schering-Messbreuroucke 3531132 Schering-Messbreuroucke mit Wagnerschem Hilfszweig 3551133 Messbreuroucke mit Stromkomparator 3571134 C-tanδ-Messgeraumlt mit digitaler Datenerfassung 358

114 Kalibrierung und Reurouckfeurouhrung 3591141 Kalibrierung von C-tanδ-Messgeraumlten 3601142 Verlustfaktornormale 3621143 Kryo-Verlustfaktornormal 364

115 Druckgaskondensatoren 3651151 Konstruktionen 3651152 Einfluss des Gasdrucks 3661153 Temperaturabhaumlngigkeit 3671154 Exzentrizitaumlt und Kapazitaumlt 3681155 Spannungsabhaumlngigkeit der Kapazitaumlt 3701156 Mechanische Eigenschwingung und

Resonanzfrequenz 37311561 Mechanische Eigenschwingung 37311562 Elektrische Resonanz 376

Literatur 377

12 Grundlagen der Teilentladungsmesstechnik 381121 Innere Teilentladungen bei Wechselspannung 382122 Eigenschaften von TE-Impulsen 385123 Scheinbare Ladung 388124 Abgeleitete TE-Messgreurooszligen 388125 TE-Messgeraumlte feurour die scheinbare Ladung 389

1251 Quasi-Integration durch Bandbegrenzung 39012511 Breitband-Messgeraumlt 39112512 Schmalband-Messgeraumlt 39312513 Funksteuroormessgeraumlt 394

1252 Integration der TE-Impulse im Zeitbereich 39412521 Elektronische Integrierschaltung 39512522 Digitale Messdatenerfassung numerische

Integration 3961253 Festlegung der Anzeige als Funktion f(N) 398

126 TE-Preuroufschaltungen nach IEC 60270 399127 Kalibrieren der Preurouf- und Messkreise nach IEC 60270 402

1271 Kalibrierimpulse 4021272 Kalibrieren des vollstaumlndigen Preurouf- und Messkreises 4061273 Genauigkeitsanforderungen 407

xviii Inhaltsverzeichnis

128 Visualisierung von TE-Impulsen 4081281 Phasenabhaumlngiges TE-Muster 4081282 Synchrone Mehrkanalmessung 409

129 Besondere Mess- und Nachweisverfahren 4131291 VHF- und UHF-Messverfahren 413

12911 UHF-Messverfahren feurour GIS 41412912 UHF-Messverfahren feurour Transformatoren 41612913 TE-Messsonde feurour schnelle Vor-Ort-Messung 417

1292 TE-Messverfahren feurour Kabel und Muffen 4191293 Akustische TE-Ortung 4231294 Optische TE-Messverfahren 4261295 Chemische Nachweisverfahren 428

1210 Teilentladungen bei Gleichspannung 4291211 Teilentladungen bei Stoszligspannung 431Literatur 433

13 Bestimmung von Messunsicherheiten 441131 Der GUM 441

1311 Grundkonzept des GUM 4421312 Modellfunktion einer Messung 4431313 Ermittlungsmethode vom Typ A 4451314 Ermittlungsmethode vom Typ B 4461315 Beigeordnete Standardmessunsicherheit 4491316 Erweiterte Messunsicherheit 4511317 Effektiver Freiheitsgrad 4521318 Messunsicherheitsbudget 4531319 Angabe des vollstaumlndigen Messergebnisses 453

132 Abschlieszligende Bemerkungen 453Literatur 455

Anhang A Fourier- und Laplace-Transformation 457

Anhang B Beispiele zur Bestimmung von Messunsicherheiten 463

Sachverzeichnis 473

Inhaltsverzeichnis xix

Einleitung 1

Die Uumlbertragung elektrischer Energie vom Erzeuger zu den Ballungszentren erfolgt vor-wiegend uumlber Freileitungen auf hohem Potential um die Leitungsstreuroome und Uumlber-tragungsverluste gering zu halten In den Ballungszentren selbst wird die Energieweiter verteilt uumlber erdverlegte Hochspannungskabel oder gasisolierte Schaltanlagen(GIS) und Leitungen (GIL) Weltweit uumlblich ist die Energieuumlbertragung mit dreiphasigenWechselspannungen die sich mit Leistungstransformatoren auf die gewuumlnschten Span-nungsebenen hinauf und herunter transformieren lassen Die heuroochsten Spannungsebenenfuumlr die Energieuumlbertragung sind 400 kV in Europa 750 kV in Nordamerika und 1000 kV inAsien Die Frequenz der annaumlhend sinusfeuroormigenWechselspannung betraumlgt 50 Hz in Europaund einer Vielzahl von Laumlndern gegenuumlber 60 Hz in Nord- Mittel- und Teilen vonSuumldamerika Die Deutsche Bahn betreibt ein eigenes Versorgungsnetz mit einphasigerWechselspannung von 110 kV und einer Frequenz von 167 Hz Weiterhin existiert eineVielzahl lokaler Versorgungsnetze fuumlr regionale Bahnen mit unterschiedlichen FrequenzenHohe Wechselspannungen werden auch fuumlr andere Bereiche von Physik und Technikbeneurootigt hauptsaumlchlich in Geraumlten und Anlagen zur Erzeugung von Gleichspannungen durchGleichrichtung

Die Uumlbertragung elektrischer Energie uumlber Entfernungen von mehr als 700 km erfolgtvorteilhaft bei Gleichspannung da hierbei geringere Uumlbertragungsverluste als bei Wechsel-spannung auftreten und greurooszligere Leistungen uumlbertragbar sind Die Spannungen bei der

Hochspannungsgleichstromeuroubertragung (HGeuroU ) betragen in der Regel bis zu 500 kV inAsien sind sogar Anlagen mit maximal 800 kV im Betrieb oder geplant Aber auch kurzeUumlbertragungsstrecken (HGUuml-Kurzkupplungen) zur Verbindung zweier Wechselspannungs-netze mit nicht synchroner Netzfrequenz werden eingesetzt HGUuml-Anlagen findet man auchbei See- oder Erdkabeln mit einer Laumlnge von bis zumehreren 100 kmWeiterhin sei auf die inDeutschland vorgenommene Energiewende hingewiesen bei der zukuumlnftig die durch Wind-kraft im Norden gewonnene Energie uumlber Gleichstromtrassen in die suumldlichen Landesteile

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_1

1

gebracht wird Schlieszliglich werden in einer futuristisch anmutenden Planungsstudie dietechnischen wirtschaftlichen und politischen Voraussetzungen untersucht um die in derSahara in Nordafrika mit Fotovoltaik-Anlagen aufgefangene Sonnenenergie uumlber HGUuml-Trassen nach Europa zu transportieren

Hohe Gleichspannungen werden bei einer Vielzahl weiterer Anwendungen eingesetztz B in Reuroontgenanlagen Staubfilteranlagen Beschichtungs- und Lackieranlagen bei derHerstellung von Aluminium usw Mit elektrostatischen Bandgeneratoren nach van deGraaff lassen sich besonders hohe und oberschwingungsfreie Gleichspannungen von biszu 25 MV erzeugen die jedoch nur mit geringen Stromstaumlrken von einigen Milliamperebelastbar sind und daher fuumlr die elektrische Energieuumlbertragung nicht in Frage kommen Siewerden vorwiegend in Beschleunigeranlagen fuumlr kernphysikalische Grundlagenuntersu-chungen verwendet

In den Betriebsanlagen zur Uumlbertragung und Verteilung elektrischer Energie bei Hoch-

spannung keuroonnen transiente euroUberspannungen mit Scheitelwerten von weit mehr als 1 MVentstehen die damit greurooszliger als die maximalen Uumlbertragungsspannungen bei Gleich- undWechselstrom sind Ursache der Uumlberspannungen sind direkte oder indirekte Blitzeinschleuroageauf Freileitungen oder in Freiluftschaltanlagen Kurzschluumlsse oder Uumlberschlaumlge durch Ver-sagen der elektrischen Isolierung Schaltvorgaumlnge in Umspannwerken und das Ansprechenvon Uumlberspannungsableitern Die transienten Spannungen haben Anstiegszeiten vorwiegendim Bereich von Mikrosekunden bis Millisekunden Bei Uumlber- oder Durchschlaumlgen und beimAnsprechen von Uumlberspannungsableitern kann der Spannungszusammenbruch sehr schnellerfolgen mit Abfallzeiten unter 1 μs Extrem kurze Zeiten im Bereich von wenigen 100 ns bishinunter zu 1 ns treten bei Schalthandlungen und Uumlberschlaumlgen in gasisolierten Schaltanla-gen auf Auch im Niederspannungsnetz keuroonnen beim Ein- und Ausschalten elektrischerGeraumlte transiente Spannungen von mehr als 1 kV auftreten die die Geraumlte in ihrer Funkti-onsweise beeinflussen oder sogar zersteurooren keuroonnen

Die in der Energieversorgung eingesetzten Betriebsmittel sind ebenfalls hohen Gleich-und Wechselstreuroomen ausgesetzt zum Beispiel bei Kurzschluumlssen im VersorgungsnetzDabei kann es zur Uumlberlagerung einer Gleichstromkomponente kommen wodurch derKurzschlusswechselstrom kurzzeitig einen Scheitelwert von 200 kA und mehr erreichtTransiente Ausgleichsstreuroome keuroonnen durch direkte oder indirekte Einwirkung vonBlitzentladungen entstehen mit Scheitelwerten im Bereich von 100 kA und Anstiegszeitenvon 1 μs Erfolgt der Blitzeinschlag in eine Freileitung breiten sich die Stromimpulse nachbeiden Seiten der Leitung aus und verursachen an den Betriebsmitteln am Leitungsendehohe transiente Spannungen die sich der Betriebswechselspannung des Netzes uumlberlagernZum Schutz der Betriebsmittel werden daher Uumlberspannungsableiter eingesetzt BeimAnsprechen der Ableiter keuroonnen sich auch die an der Betriebswechselspannung liegendenLeitungen entladen Die Ableiter werden dadurch mit einem annaumlhernd rechteckfeuroormigenStromimpuls mit einer Zeitdauer im Bereich von 1 ms beansprucht

Auch in anderen Bereichen von Physik und Technik treten hohe impulsfeuroormige Span-nungen und Streuroome mit Anstiegszeiten im Mikro- und Nanosekundenbereich auf oder sindfuumlr bestimmte Anwendungen von Nutzen wie die folgenden Beispiele zeigen In der

2 1 Einleitung

Plasmaphysik werden damit extrem groszlige Magnetfelder zum kurzzeitigen Einschluss vonPlasmen erzeugt Bei elektrischen Punktschweiszligungen erreichen die Impulsstreuroome Schei-telwerte von bis zu 200 kA Elektronische Zuumlndsysteme fuumlr Verbrennungsmotoren erzeu-gen Impulsspannungen mit Scheitelwerten von maximal 30 kV In der Leistungselektroniktreten Impulsspannungen und -streuroome von mehreren 10 kV und bis zu 10 kA auf oderwerden zur Pruumlfung beneurootigt z B fuumlr Solarmodule Elektrizitaumltszaumlhler werden mitStoszligstreuroomen die aus einer netzfrequenten Sinushalbschwingung mit Amplituden vonmehreren Kiloampere bestehen gepruumlft In der Medizintechnik wird durch Umwandlungin akustische Stoszligwellen eine Zertruumlmmerung von Nieren- und Gallensteinen sowie vonKalkablagerungen in Gelenken erzielt Die Wirkung von Elektroimpulswaffen beruht aufSpannungsimpulsen die das Nervensystem des Getroffenen fuumlr eine begrenzte Zeit laumlh-men Schlieszliglich sei auf die vielfaumlltigen Anwendungen bei Untersuchungen zur elektro-magnetischen Vertraumlglichkeit von elektronischen Geraumlten bis hin zu sehr komplexenSystemen wie sie z B Flugzeuge darstellen verwiesen

Die Isolierung der Betriebsmittel wird durch die im Betrieb auftretenden Spannungenund Streuroome einer starken Beanspruchung unterzogen die die Lebensdauer beeinflusst DieKenntnis uumlber die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der verwendeten festenfluumlssigen und gasfeuroormigen Isolierstoffe ist daher ein wichtiger Teil der Hochspannungs-technik Wenn bei der Herstellung eines Betriebsmittels Fehler in der Isolierung auftretenz B bedingt durch Gaseinschluumlsse keuroonnen oberhalb einer bestimmten EinsetzspannungTeilentladungen entstehen Bei laumlngerer Einwirkung der Teilentladungen auf die umge-bende Isolierung kann es zu einer allmaumlhlichen Schaumldigung und schlieszliglich zum vollstaumln-digen Ausfall des Betriebsmittels kommen

Die Zuverlaumlssigkeit der elektrischen Energieversorgung ist eine wichtige Voraussetzungfuumlr eine florierende Wirtschaft in jedem Land und fuumlr das Wohlergehen der BeveuroolkerungJedes Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung wird daher vor seinem Einsatzeiner Reihe von Abnahmepruumlfungen unterzogen Damit werden im Pruumlflabor gegebenen-falls auch als Vor-Ort-Preuroufung am Einsatzort des Betriebsmittels die elektrischen mecha-nischen und thermischen Beanspruchungen nachgebildet die im praktischen Einsatz desBetriebsmittels auftreten keuroonnen Hierzu geheurooren zum einen Pruumlfungen mit der demNetzbetrieb entsprechenden Spannungs- oder Stromart zum anderen Pruumlfungen mit im-pulsfeuroormigen Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroomen Letztere werden im deutschsprachigenRaum als Stoszligspannungen bzw Stoszligstreuroome bezeichnet die den im Betrieb auftretendentransienten Spannungen und Streuroomen entsprechen Die Heuroohe der international genormtenPruumlfspannungen richtet sich nach der Bemessungsspannung der Betriebsmittel Mit sehrsteil ansteigenden Stoszligspannungen lassen sich zwischen platten- oder streifenfeuroormigenElektrodenanordnungen elektromagnetische Felder zur Vertraumlglichkeitspruumlfung elektroni-scher Geraumlte und Systeme erzeugen Auch die Wirkung des bei einer Nuklearexplosion ingroszliger Heuroohe ausgeleuroosten elektromagnetischen Impulses kann auf diese Weise simuliertwerden

Zusaumltzlich zu den Spannungspruumlfungen werden Betriebsmittel einer Teilentladungspruuml-fung im Pruumlflabor unterzogen Zwar ist das Phaumlnomen der Teilentladungen sehr vielschichtig

Einleitung 3

und noch nicht restlos geklaumlrt jedoch weiszlig man auf Grund jahrzehntelanger Erfahrungdass bei Uumlberschreiten einer fuumlr jedes Betriebsmittel individuellen Teilentladungsstaumlrkedie Gefahr einer langfristigen Schaumldigung der Isolierung besteht und das Betriebsmittelvorzeitig ausfaumlllt Zunehmend findet daher ein Online-Monitoring zur permanenten Uumlber-wachung der Teilentladungen statt um rechtzeitig einen meurooglichen Ausfall des Betriebs-mittels zu erkennen Weiterhin werden die elektrischen und dielektrischen Eigenschaftender Hochspannungsisolierung uumlberpruumlft Hierzu geheurooren Messgreurooszligen wie Isolationswider-stand Leitfaumlhigkeit Kapazitaumlt und Verlustfaktor des Pruumlflings

Bei allen Pruumlfungen ist eine fundierte Messtechnik erforderlich sei es weil eine Uumlber-oder Unterbeanspruchung des Betriebsmittels oder Pruumlflings vermieden werden soll oderweil die Qualitaumlt einer Anwendung z B bei einer medizinischen Behandlung oder beimelektrischen Punktschweiszligen gewaumlhrleistet sein muss Die Messung hoher Spannungenund Streuroome von Teilentladungen und dielektrischen Eigenschaften der Isolierstoffe weisteine lange Tradition auf wobei zwei entscheidende Veraumlnderungen eingetreten sind Dieseit Jahrzehnten eingesetzten mechanischen Messgeraumlte und angewandten Messverfahrenwurden schon vor einiger Zeit durch die Verfuumlgbarkeit elektronischer Messgeraumlte weitge-hend abgeleuroost Die Einfuumlhrung der digitalen Messtechnik mit numerischer Datenverarbei-tung stellt eine weitere entscheidende Zaumlsur dar und bedeutet das Ende fuumlr die meistenanalogen Messschaltungen und Messgeraumlte

Die bei Pruumlfungen eingesetzten Messmittel muumlssen hinsichtlich ihrer Messrichtigkeituumlberpruumlft sein In diesem Zusammenhang stehen Begriffe und Inhalte wie Qualitaumltssiche-rung Kalibrierung Ruumlckfuumlhrung der Messungen auf die SI-Einheiten Messunsicherheitinternational anerkannte Pruumlfvorschriften akkreditierte Pruumlf- und Kalibrierlaboratorien

Die Hochspannungs- und Energietechnik wird in der Fachliteratur ausgiebig behandeltvor allem in den aktuellen Konferenzbaumlnden nationaler und internationaler Vortragsveran-staltungen z B bdquoInternational Symposium on High Voltage Engineeringldquo (ISH) Zusam-menfassende Darstellungen finden sich in einer Reihe von Fachbuumlchern in denen dieentsprechende Messtechnik allerdings nur kurz dargestellt wird [1ndash5] Zu einzelnen The-men kann der findige Leser uumlber die bekannten Suchmaschinen auch im Internet mehr oderweniger detaillierte Informationen erhalten Die Fachbuumlcher [6ndash8] die sich speziell mit derHochspannungsmesstechnik oder mit Teilgebieten befassen sind bereits mehrere Jahr-zehnte alt oder nur als unveraumlnderter Nachdruck aumllterer Ausgaben vorhanden

Ein Teilgebiet der Hochspannungsmesstechnik die Messung von Stoszligspannungen undStoszligstreuroomen wird unter Einbeziehung der aktuellen IEC-Pruumlfbestimmungen Kalibrier-verfahren und Unsicherheitsberechnung in dem 2010 herausgegebenen Fachbuch [9]behandelt das 2013 auch in englischer Sprache erschien Das vorliegende Fachbuch stellteine Uumlberarbeitung und Erweiterung des Inhalts dieses Buches dar Es umfasst nun dieMesstechnik fuumlr Gleich- Wechsel- Stoszligspannungen und die entsprechenden StreuroomeTeilentladungen sowie elektrische und dielektrische Messgreurooszligen bei Hochspannung

4 1 Einleitung

Das Buch ist aus der Absicht entstanden die alten aber heute noch guumlltigen Grundlagen derHochspannungsmesstechnik mit den neueren Entwicklungen zu ergaumlnzen die sich alsKonsequenz der verbesserten geraumltetechnischen Ausstattung Einfuumlhrung der analog-digi-talen Datenumwandlung numerischen Datenverarbeitung und den geaumlnderten Pruumlfnormenergeben haben

Literatur

1 Beyer M Boeck W Meurooller K Zaengl W Hochspannungstechnik Theoretische und prakti-sche Grundlagen fuumlr die Anwendung Springer BerlinHeidelbergNew York (1986)

2 Kind D Feser K Hochspannungsversuchstechnik 5 Aufl Friedr Vieweg amp Sohn Braun-schweigWiesbaden (1995) Englische Ausgabe Kind D Feser K High-Voltage Test Techni-ques 2 Aufl Butterworth Heinemann Oxford (2001)

3 Kuumlchler A Hochspannungstechnik Grundlagen ndash Technologie ndashAnwendungen Bd 3 Springer-Verlag BerlinHeidelberg (2009) Englische Ausgabe Kuumlchler A High Voltage EngineeringFundamentals ndash Technology ndash Applications Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York(2013)

4 Kuffel E Zaengl WS Kuffel J High Voltage Engineering ndash Fundamentals 2 Aufl ElsevierNewness Oxford (2000)

5 Hauschild W Lemke E High-Voltage Test and Measuring Techniques Springer HeidelbergNew YorkDordrechtLondon (2013)

6 Schwab AJ Hochspannungsmesstechnik Messgeraumlte und Messverfahren Bd 2 2 Aufl SpringerBerlinHeidelbergNew York (1981) Englische Ausgabe Schwab AJ High-Voltage MeasurementTechniques MIT Press (1972)

7 Asner AM Stoszligspannungs-Meszligtechnik Springer BerlinHeidelbergNew York (1974)8 Hylteacuten-Cavallius N The measurement of high impulse voltages and currents In Claudi A

Bergman A Berlijn S Haumlllstreuroom J (Hrsg) A Review of Seven Decades of Development SPBoras (2004)

9 Schon K Stoszligspannungs- und Stoszligstrommesstechnik Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2010) Englische Ausgabe Schon K High Impulse Voltage and Current MeasurementTechniques Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2013)

Literatur 5

Hohe Wechselspannungen und -stroumlme 2

Die Uumlbertragung elektrischer Energie erfolgt uumlberwiegend mit hohen Wechselspannungenso dass dieser Spannungsart ndash und damit auch den Wechselstreuroomen ndash besondere Bedeutungzukommt Jedes Betriebsmittel fuumlr die elektrische Energieversorgung wird vor demEinsatz auf seine Zuverlaumlssigkeit gepruumlft wobei die Pruumlf- und Messverfahren sowieAnforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome in nationalen und internationalenPruumlfvorschriften festgelegt sind HoheWechselspannungen sind auch deshalb wichtig weilsie zur Erzeugung von Gleich- und Stoszligspannungen sowie fuumlr zahlreiche Anwendungen inPhysik und Technik beneurootigt werden Das Kapitel stellt die genormten Messgreurooszligen undMessverfahren vor geht kurz auf die hauptsaumlchlich verwendeten Spannungs- und Strom-erzeuger ein und befasst sich ausfuumlhrlich mit den Messsystemen und Messgeraumlten dieinzwischen weitgehend in digitaler Ausfuumlhrung mit rechnergestuumltzter Datenverarbeitungeingesetzt werden

21 Wechselspannungen

Die Pruumlf- und Messverfahren fuumlr Betriebsmittel der elektrischen Energieuumlbertragung ein-schlieszliglich der Anforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome sind in nationalenund internationalen Pruumlfvorschriften festgelegt [1ndash5] Hohe Wechselspannungen habenauch deshalb eine besondere Bedeutung da sie die Grundlage zur Erzeugung von Gleich-und Stoszligspannungen darstellen Alle Spannungsformen werden auszliger in der Energiever-sorgung auch fuumlr zahlreiche Aufgaben in Physik und Technik eingesetzt Fuumlr die imNiederspannungsbereich verwendeten Geraumlte mit Bemessungsspannungen von nicht mehrals 1 kV gelten besondere von den Hochspannungspruumlfvorschriften sinngemaumlszlig abgeleitetePruumlfvorschriften [6]

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_2

7

Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

ffiffiffi2

p eth22THORN

Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

u2dt

vuuut eth23THORN

mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

ucirc-

0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth24THORN

der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

i( t)

icirc

ts0

1

ab

2

t

i(t)icirc

0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

GIL Gasisolierte LeitungGIS Gasisolierte SchaltanlageGPS Globales PositionierungssystemGRIN-Linse Gradient-Index-LinseGTEM Gigahertz Transverse ElectromagneticGUM Guide to the Expression of Uncertainty in MeasurementHGUuml HochspannungsgleichstromeuroubertragungIEC International Electrotechnical CommissionISH Internationales Symposium feurour HochspannungISO International Organization for StandardizationLD Laser-DiodeLED LumineszenzdiodeLI BlitzstoszligspannungLIC abgeschnittene BlitzstoszligspannungLNO LiNbO3

LSB kleinste DigitalisierungsstufeLWL LichtwellenleiterMOSFET Metall-Oxid Halbleiter-FeldeffekttransistorNEMP nuklear erzeugter elektromagnetischer ImpulsOP OperationsverstaumlrkerPE PolyaumlthylenPC Personal computerPMF polarisationserhaltender LichtwellenleiterProc Proceedings (Vortragsband)PRPD Phasenabhaumlngiges TE-MusterPTB Physikalisch-Technische BundesanstaltQS QuantisierungsstufeSI SchaltstoszligspannungSI Internationales EinheitensystemTC Technisches Komitee (der IEC)TDG Test Data GeneratorTE TeilentladungTEA laser Transversely Excited Atmospheric LaserTEM transversal elektromagnetischTHG Oberschwingungsgehalt3PARD 3-Phase Amplitude Relation Diagram3PFRD 3-Phase Frequency Relation Diagram3PTRD 3-Phase Time Relation DiagramUHV UltrahochspannungUV Ultraviolettes LichtUVC sehr kurzwelliges ultraviolettes Licht

viii Abkeurourzungen

VIM Internationales Weuroorterbuch der MetrologieWLAN FunknetzwerkWTO Welthandelsorganisation

Abkeurourzungen ix

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1Literatur 5

2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome 721 Wechselspannungen 722 Wechselstreuroome 9

221 Stationaumlrer Wechselstrom 10222 Kurzzeitwechselstrom 11

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen 12231 Bauarten von Preurouftransformatoren 13232 Kaskadenschaltung von Transformatoren 13233 Resonanzpreuroufanlagen 17

24 Erzeugung hoher Wechselstreuroome 1825 Messung hoher Wechselspannungen 18

251 Kapazitiver Spannungsteiler 192511 Streukapazitaumlten und einfache

Ersatzschaltbilder 20252 Analoge Messgeraumlteschaltungen 21

2521 Einfache Scheitelspannungsmesseinrichtung 222522 Messeinrichtung nach Chubb und Fortescue 22

253 Digitale Messgeraumlteschaltungen 26254 Elektrostatische Voltmeter 28255 Induktive Spannungswandler 28256 Kapazitive Spannungswandler 29257 Elektronische Spannungswandler 30258 Kugelfunkenstrecke 32

26 Messung hoher Wechselstreuroome 35

xi

261 Messwiderstaumlnde 35262 Induktive Stromwandler 35263 Messspulen mit elektronischer Dateneuroubertragung 36

2631 Rogowski-Spulen feurourWechselstrommessungen 37

2632 Strommessung aufHochspannungspotenzial 38

Literatur 40

3 Hohe Gleichspannungen und -streuroome 4331 Gleichspannungen 4332 Gleichstreuroome 45

321 Stationaumlrer Gleichstrom 45322 Kurzzeitgleichstrom 46

33 Erzeugung hoher Gleichspannungen und -streuroome 47331 Gleichrichterschaltungen 48332 Elektrostatische Generatoren 51

34 Messung hoher Gleichspannungen 51341 Messanordnung mit ohmschem Spannungsteiler 52342 Messanordnung mit Vorwiderstand 54343 Temperaturverhalten 56344 Uumlbertragungsverhalten 59

3441 Messung der Welligkeit 60345 Gleichspannungsteiler heuroochster Genauigkeit 61346 Addition von Teilspannungen 64347 Fixpunkte der Hochspannungsskale 65348 Rotationsvoltmeter 66349 Stab-Stab-Funkenstrecke 69

35 Messung hoher Gleichstreuroome 71351 Niederohmige Messwiderstaumlnde 71352 Hall-Stromsensoren 72353 Gleichstromwandler 75

Literatur 76

4 Stoszligspannungen 7941 Definitionen und Parameter von Stoszligspannungen 79

411 Blitzstoszligspannungen 804111 Toleranzen und Messunsicherheiten bei

Preuroufungen 834112 Blitzstoszligspannung mit eurouberlagerter

Schwingung 83

xii Inhaltsverzeichnis

412 Schaltstoszligspannungen 894121 Bestimmung der Scheitelzeit 90

413 Schwingende Stoszligspannungen bei Vor-Ort-Preuroufungen 92414 Steilstoszligspannung 92

42 Erzeugung von Stoszligspannungen 94421 Generatoren feurour Blitz- und Schaltstoszligspannungen 94

4211 Vervielfachungsschaltung 964212 Betrieb des Stoszligspannungsgenerators 964213 Uumlberschwingen der erzeugten

Stoszligspannung 994214 Reurouckenhalbwertszeit bei kleiner induktiver

Last 101422 Erzeugung von schwingenden Stoszligspannungen 101423 Erzeugung von abgeschnittenen Stoszligspannungen 102424 Erzeugung von Steilstoszligspannungen 103

43 Messung von Stoszligspannungen 104431 Messsysteme mit Stoszligspannungsteiler 105

4311 Grundsaumltzliche Anordnung des Preurouf- undMesskreises 105

4312 Komponenten einesStoszligspannungsmesssystems 106

4313 Maszligstabsfaktor 1104314 Streukapazitaumlt zur Erde 1114315 Allgemeine Betrachtung zum

Uumlbertragungsverhalten 1124316 Kettenleiterersatzschaltbild und

Sprungantwort 1144317 Einwirkung von Steuroorungen und

Gegenmaszlignahmen 116432 Messsysteme mit ohmschem Stoszligspannungsteiler 118

4321 Grundsaumltzlicher Aufbau des Messsystems 1184322 Sprungantwort des ohmschen Spannungsteilers

als Kettenleiter 1214323 Einfaches Ersatzschaltbild mit konzentrierten

Elementen 1234324 Feldkonformer Widerstandsteiler 1244325 Optimierter Messabgriff 1254326 Kapazitive Signaleinkopplung in den

Niederspannungsteil 1274327 Spannungsteiler mit waumlssriger Leuroosung 127

Inhaltsverzeichnis xiii

433 Kapazitiver Stoszligspannungsteiler 1284331 Aufbau des Messsystems mit kapazitivem

Spannungsteiler 1284332 Schaltung auf der Niederspannungsseite 1294333 Burch-Abschluss bei langem Messkabel 1304334 Einfache Ersatzschaltbilder mit Erdkapazitaumlt 1304335 Varianten des kapazitiven

Stoszligspannungsteilers 131434 Gedaumlmpft kapazitiver Stoszligspannungsteiler 133

4341 Aufbau des Messsystems mit gedaumlmpftkapazitivem Spannungsteiler 133

4342 Kettenleiterersatzschaltbild undSprungantwort 135

4343 Messkabel und Burch-Abschluss 1374344 Optimierung des Niederspannungsteils 1374345 Optimal und schwach gedaumlmpfte kapazitive

Stoszligspannungsteiler 1384346 Beispiele feurour Referenzteiler 139

435 Ohmsch-kapazitiv gemischter Spannungsteiler 144436 Kugelfunkenstrecke feurour Stoszligspannungsmessungen 146437 Kapazitive Feldsensoren 148

4371 Messprinzip und Ersatzschaltbild 1484372 Feldsensor feurour den Linearitaumltsnachweis von

Spannungsteilern 1504373 Dreidimensionaler Feldsensor 151

Literatur 153

5 Stoszligstreuroome 15951 Definitionen und Parameter von Stoszligstreuroomen 160

511 Exponentielle Stoszligstreuroome 160512 Rechteckstoszligstrom 162

52 Erzeugung von Stoszligstreuroomen 162521 Generatorschaltung feurour exponentielle Stoszligstreuroome 162

5211 Einfluss des Preurouflings auf den Zeitverlauf 1655212 Crowbar-Technik 166

522 Generatorschaltung feurour Rechteckstoszligstreuroome 16753 Messung von Stoszligstreuroomen 168

531 Messsystem mit niederohmigem Messwiderstand 1695311 Erdschleifen und Kopplungsimpedanz 1695312 Leiterwiderstand eines Messkabels 1725313 Induktivitaumlten eines niederohmigen

Widerstandes 173

xiv Inhaltsverzeichnis

5314 Aufbau koaxialer Messwiderstaumlnde 1765315 Stromverdraumlngung (Skineffekt) 1785316 Kettenleiterersatzschaltbild 1815317 Experimentelle Sprungantwort von

Messwiderstaumlnden 1825318 Besondere Bauformen 1845319 Grenzlastintegral 186

532 Messsysteme mit Strommessspule 1885321 Durchflutungs- und Induktionsgesetz 1885322 Integrationsverfahren 1915323 Sprungantwort von Messspulen 1925324 Potenzialfreie Messdateneuroubertragung 1935325 Rogowski-Spulen 1935326 Strommessspulen mit Magnetkern 1995327 Magnetfeldsensor 200

Literatur 203

6 Elektro- und magnetooptische Sensoren 20561 Elektrooptische Effekte 205

611 Pockels-Effekt 2066111 Pockels-Sensoren feurour Feldmessungen 2086112 Pockels-Sensoren feurour

Spannungsmessungen 2126113 Inverser piezoelektrischer Effekt 2146114 Elektrooptische Spannungswandler 215

612 Elektrooptischer Kerr-Effekt 21662 Faraday-Effekt 219

621 Magnetooptische Stromsensoren 220622 Magnetooptische Stromwandler 223

Literatur 223

7 Digitalrecorder Software und Kalibratoren 22771 Aufbau und Eigenschaften von Digitalrecordern 227

711 AD-Wandlung mit Flash-Konverter 228712 Charakteristische Daten des Digitalrecorders 230713 Weitere Eigenschaften des Digitalrecorders 232

72 Fehlerquellen der digitalen Messtechnik 234721 Ideale Quantisierung 235722 Statische differenzielle und integrale Nichtlinearitaumlten 237723 Differenzielle Nichtlinearitaumlt und Haumlufigkeitsverteilung

bei dynamischer Beanspruchung 239724 Diskrete Abtastfehler bei Sinusspannungen 241

Inhaltsverzeichnis xv

725 Effektive Bitzahl 242726 Signalsteilheit und Abtastfehler 244727 Rauschen und Jitter des AD-Wandlers 245728 Sprungantwort des Digitalrecorders 246729 Elektromagnetische Steuroorbeeinflussung 248

73 Software zur Datenauswertung 249731 Preuroufung der Auswertesoftware mit dem TDG 250

74 Kalibriergeneratoren 25175 Anforderungen an Messgeraumlte Software und Kalibratoren 253Literatur 256

8 Darstellung von Impulsen im Zeit- und Frequenzbereich 25981 Analytische Darstellung von Stoszligspannungen 259

811 Mathematischer und virtueller Nullpunkt 263812 Varianten der Stoszligspannung 264813 Parameter von Stoszligspannungen 265814 Spektrum von Stoszligspannungen 266

82 Analytische Darstellung von Stoszligstreuroomen 269821 Bestimmung der Schaltkreiselemente 272822 Spektrum von exponentiellen Stoszligstreuroomen 273

83 Analytische Darstellung von Kurzzeitwechselstreuroomen 273

9 Uumlbertragungsverhalten linearer Systeme Faltung und Entfaltung 27591 Sprungantwort eines Systems 27692 Faltungsintegral und Faltungsalgorithmus 27793 Fourier-Transformation und Uumlbertragungsfunktion 27994 Laplace-Transformation 28295 Eigenschaften von RC- und RLC-Gliedern 284

951 Sprungantwort eines Tiefpasses 284952 Sprungantwort eines Schwingkreises 285953 Uumlbertragungsfunktion von Tiefpass und Schwingkreis 287

96 Antwortzeit Anstiegszeit und Bandbreite 28897 Beispiele feurour die Faltung 291

971 Keilstoszligspannung auf RC-Glied 291972 Keilstoszligspannung auf RLC-Glied 294973 Stoszligspannung auf RC-Glied 295974 Antwortfehler und Fehlerdiagramm 296

98 Experimentelle Sprungantwort 300981 Auswertung der experimentellen Sprungantwort 301982 Antwortparameter der Sprungantwort 301983 Messschaltungen feurour die Sprungantwort 304984 Erzeugung von Sprungspannungen 306

xvi Inhaltsverzeichnis

99 Ergaumlnzende Betrachtungen zum Uumlbertragungsverhalten 310Literatur 313

10 Kalibrierung der Messsysteme 317101 Normung Akkreditierung und Reurouckfeurouhrung 317102 Kalibrierung im Allgemeinen 320103 Kalibrierung von Spannungsmesssystemen 321

1031 Vergleichsmessung mit Referenzsystem 3211032 Besonderheiten bei der Vergleichsmessung 3231033 Kalibrierung eines einzelnen Spannungsteilers 3241034 Festgesetzter Maszligstabsfaktor 325

10341 Vergleich eurouber den gesamten Spannungsbereich(Referenzverfahren) 326

10342 Vergleichsmessung eurouber einen begrenztenSpannungsbereich 327

10343 Kalibrierung der Komponenten(Alternativverfahren) 328

1035 Linearitaumltspreuroufung 3291036 Zeitparameter einer Stoszligspannung 3291037 Dynamisches Verhalten 3301038 Anforderungen an die Sprungantwort 3311039 Fehlerdiagramm feurour Scheitelwert und Zeitparameter 33310310 Einfluss benachbarter Objekte (Naumlheeffekt) 33510311 Kurz- und Langzeitverhalten 336

104 Kalibrierung von Strommesssystemen 3381041 Vergleichsmessung mit Referenzsystem bei Stoszligstrom 3381042 Linearitaumltspreuroufung 3401043 Alternativverfahren feurour Strommesssysteme 3401044 Dynamisches Verhalten 341

105 Kalibrierung von Digitalrecordern 3411051 Kalibrierung mit Exponentialimpulsen 3421052 Kalibrierung mit Sprungspannungen 3421053 Kalibrierung mit Sinusspannungen 343

Literatur 344

11 Kapazitaumlt und Verlustfaktor 347111 Grundlagen 347

1111 Verlustfaktor im Zeigerdiagramm 3481112 Ersatzschaltbilder feurour verlustbehaftetes Dielektrikum 350

112 Messverfahren feurour feste und fleuroussige Dielektrika 351

Inhaltsverzeichnis xvii

113 Messgeraumlte feurour C und tanδ 3521131 Schering-Messbreuroucke 3531132 Schering-Messbreuroucke mit Wagnerschem Hilfszweig 3551133 Messbreuroucke mit Stromkomparator 3571134 C-tanδ-Messgeraumlt mit digitaler Datenerfassung 358

114 Kalibrierung und Reurouckfeurouhrung 3591141 Kalibrierung von C-tanδ-Messgeraumlten 3601142 Verlustfaktornormale 3621143 Kryo-Verlustfaktornormal 364

115 Druckgaskondensatoren 3651151 Konstruktionen 3651152 Einfluss des Gasdrucks 3661153 Temperaturabhaumlngigkeit 3671154 Exzentrizitaumlt und Kapazitaumlt 3681155 Spannungsabhaumlngigkeit der Kapazitaumlt 3701156 Mechanische Eigenschwingung und

Resonanzfrequenz 37311561 Mechanische Eigenschwingung 37311562 Elektrische Resonanz 376

Literatur 377

12 Grundlagen der Teilentladungsmesstechnik 381121 Innere Teilentladungen bei Wechselspannung 382122 Eigenschaften von TE-Impulsen 385123 Scheinbare Ladung 388124 Abgeleitete TE-Messgreurooszligen 388125 TE-Messgeraumlte feurour die scheinbare Ladung 389

1251 Quasi-Integration durch Bandbegrenzung 39012511 Breitband-Messgeraumlt 39112512 Schmalband-Messgeraumlt 39312513 Funksteuroormessgeraumlt 394

1252 Integration der TE-Impulse im Zeitbereich 39412521 Elektronische Integrierschaltung 39512522 Digitale Messdatenerfassung numerische

Integration 3961253 Festlegung der Anzeige als Funktion f(N) 398

126 TE-Preuroufschaltungen nach IEC 60270 399127 Kalibrieren der Preurouf- und Messkreise nach IEC 60270 402

1271 Kalibrierimpulse 4021272 Kalibrieren des vollstaumlndigen Preurouf- und Messkreises 4061273 Genauigkeitsanforderungen 407

xviii Inhaltsverzeichnis

128 Visualisierung von TE-Impulsen 4081281 Phasenabhaumlngiges TE-Muster 4081282 Synchrone Mehrkanalmessung 409

129 Besondere Mess- und Nachweisverfahren 4131291 VHF- und UHF-Messverfahren 413

12911 UHF-Messverfahren feurour GIS 41412912 UHF-Messverfahren feurour Transformatoren 41612913 TE-Messsonde feurour schnelle Vor-Ort-Messung 417

1292 TE-Messverfahren feurour Kabel und Muffen 4191293 Akustische TE-Ortung 4231294 Optische TE-Messverfahren 4261295 Chemische Nachweisverfahren 428

1210 Teilentladungen bei Gleichspannung 4291211 Teilentladungen bei Stoszligspannung 431Literatur 433

13 Bestimmung von Messunsicherheiten 441131 Der GUM 441

1311 Grundkonzept des GUM 4421312 Modellfunktion einer Messung 4431313 Ermittlungsmethode vom Typ A 4451314 Ermittlungsmethode vom Typ B 4461315 Beigeordnete Standardmessunsicherheit 4491316 Erweiterte Messunsicherheit 4511317 Effektiver Freiheitsgrad 4521318 Messunsicherheitsbudget 4531319 Angabe des vollstaumlndigen Messergebnisses 453

132 Abschlieszligende Bemerkungen 453Literatur 455

Anhang A Fourier- und Laplace-Transformation 457

Anhang B Beispiele zur Bestimmung von Messunsicherheiten 463

Sachverzeichnis 473

Inhaltsverzeichnis xix

Einleitung 1

Die Uumlbertragung elektrischer Energie vom Erzeuger zu den Ballungszentren erfolgt vor-wiegend uumlber Freileitungen auf hohem Potential um die Leitungsstreuroome und Uumlber-tragungsverluste gering zu halten In den Ballungszentren selbst wird die Energieweiter verteilt uumlber erdverlegte Hochspannungskabel oder gasisolierte Schaltanlagen(GIS) und Leitungen (GIL) Weltweit uumlblich ist die Energieuumlbertragung mit dreiphasigenWechselspannungen die sich mit Leistungstransformatoren auf die gewuumlnschten Span-nungsebenen hinauf und herunter transformieren lassen Die heuroochsten Spannungsebenenfuumlr die Energieuumlbertragung sind 400 kV in Europa 750 kV in Nordamerika und 1000 kV inAsien Die Frequenz der annaumlhend sinusfeuroormigenWechselspannung betraumlgt 50 Hz in Europaund einer Vielzahl von Laumlndern gegenuumlber 60 Hz in Nord- Mittel- und Teilen vonSuumldamerika Die Deutsche Bahn betreibt ein eigenes Versorgungsnetz mit einphasigerWechselspannung von 110 kV und einer Frequenz von 167 Hz Weiterhin existiert eineVielzahl lokaler Versorgungsnetze fuumlr regionale Bahnen mit unterschiedlichen FrequenzenHohe Wechselspannungen werden auch fuumlr andere Bereiche von Physik und Technikbeneurootigt hauptsaumlchlich in Geraumlten und Anlagen zur Erzeugung von Gleichspannungen durchGleichrichtung

Die Uumlbertragung elektrischer Energie uumlber Entfernungen von mehr als 700 km erfolgtvorteilhaft bei Gleichspannung da hierbei geringere Uumlbertragungsverluste als bei Wechsel-spannung auftreten und greurooszligere Leistungen uumlbertragbar sind Die Spannungen bei der

Hochspannungsgleichstromeuroubertragung (HGeuroU ) betragen in der Regel bis zu 500 kV inAsien sind sogar Anlagen mit maximal 800 kV im Betrieb oder geplant Aber auch kurzeUumlbertragungsstrecken (HGUuml-Kurzkupplungen) zur Verbindung zweier Wechselspannungs-netze mit nicht synchroner Netzfrequenz werden eingesetzt HGUuml-Anlagen findet man auchbei See- oder Erdkabeln mit einer Laumlnge von bis zumehreren 100 kmWeiterhin sei auf die inDeutschland vorgenommene Energiewende hingewiesen bei der zukuumlnftig die durch Wind-kraft im Norden gewonnene Energie uumlber Gleichstromtrassen in die suumldlichen Landesteile

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_1

1

gebracht wird Schlieszliglich werden in einer futuristisch anmutenden Planungsstudie dietechnischen wirtschaftlichen und politischen Voraussetzungen untersucht um die in derSahara in Nordafrika mit Fotovoltaik-Anlagen aufgefangene Sonnenenergie uumlber HGUuml-Trassen nach Europa zu transportieren

Hohe Gleichspannungen werden bei einer Vielzahl weiterer Anwendungen eingesetztz B in Reuroontgenanlagen Staubfilteranlagen Beschichtungs- und Lackieranlagen bei derHerstellung von Aluminium usw Mit elektrostatischen Bandgeneratoren nach van deGraaff lassen sich besonders hohe und oberschwingungsfreie Gleichspannungen von biszu 25 MV erzeugen die jedoch nur mit geringen Stromstaumlrken von einigen Milliamperebelastbar sind und daher fuumlr die elektrische Energieuumlbertragung nicht in Frage kommen Siewerden vorwiegend in Beschleunigeranlagen fuumlr kernphysikalische Grundlagenuntersu-chungen verwendet

In den Betriebsanlagen zur Uumlbertragung und Verteilung elektrischer Energie bei Hoch-

spannung keuroonnen transiente euroUberspannungen mit Scheitelwerten von weit mehr als 1 MVentstehen die damit greurooszliger als die maximalen Uumlbertragungsspannungen bei Gleich- undWechselstrom sind Ursache der Uumlberspannungen sind direkte oder indirekte Blitzeinschleuroageauf Freileitungen oder in Freiluftschaltanlagen Kurzschluumlsse oder Uumlberschlaumlge durch Ver-sagen der elektrischen Isolierung Schaltvorgaumlnge in Umspannwerken und das Ansprechenvon Uumlberspannungsableitern Die transienten Spannungen haben Anstiegszeiten vorwiegendim Bereich von Mikrosekunden bis Millisekunden Bei Uumlber- oder Durchschlaumlgen und beimAnsprechen von Uumlberspannungsableitern kann der Spannungszusammenbruch sehr schnellerfolgen mit Abfallzeiten unter 1 μs Extrem kurze Zeiten im Bereich von wenigen 100 ns bishinunter zu 1 ns treten bei Schalthandlungen und Uumlberschlaumlgen in gasisolierten Schaltanla-gen auf Auch im Niederspannungsnetz keuroonnen beim Ein- und Ausschalten elektrischerGeraumlte transiente Spannungen von mehr als 1 kV auftreten die die Geraumlte in ihrer Funkti-onsweise beeinflussen oder sogar zersteurooren keuroonnen

Die in der Energieversorgung eingesetzten Betriebsmittel sind ebenfalls hohen Gleich-und Wechselstreuroomen ausgesetzt zum Beispiel bei Kurzschluumlssen im VersorgungsnetzDabei kann es zur Uumlberlagerung einer Gleichstromkomponente kommen wodurch derKurzschlusswechselstrom kurzzeitig einen Scheitelwert von 200 kA und mehr erreichtTransiente Ausgleichsstreuroome keuroonnen durch direkte oder indirekte Einwirkung vonBlitzentladungen entstehen mit Scheitelwerten im Bereich von 100 kA und Anstiegszeitenvon 1 μs Erfolgt der Blitzeinschlag in eine Freileitung breiten sich die Stromimpulse nachbeiden Seiten der Leitung aus und verursachen an den Betriebsmitteln am Leitungsendehohe transiente Spannungen die sich der Betriebswechselspannung des Netzes uumlberlagernZum Schutz der Betriebsmittel werden daher Uumlberspannungsableiter eingesetzt BeimAnsprechen der Ableiter keuroonnen sich auch die an der Betriebswechselspannung liegendenLeitungen entladen Die Ableiter werden dadurch mit einem annaumlhernd rechteckfeuroormigenStromimpuls mit einer Zeitdauer im Bereich von 1 ms beansprucht

Auch in anderen Bereichen von Physik und Technik treten hohe impulsfeuroormige Span-nungen und Streuroome mit Anstiegszeiten im Mikro- und Nanosekundenbereich auf oder sindfuumlr bestimmte Anwendungen von Nutzen wie die folgenden Beispiele zeigen In der

2 1 Einleitung

Plasmaphysik werden damit extrem groszlige Magnetfelder zum kurzzeitigen Einschluss vonPlasmen erzeugt Bei elektrischen Punktschweiszligungen erreichen die Impulsstreuroome Schei-telwerte von bis zu 200 kA Elektronische Zuumlndsysteme fuumlr Verbrennungsmotoren erzeu-gen Impulsspannungen mit Scheitelwerten von maximal 30 kV In der Leistungselektroniktreten Impulsspannungen und -streuroome von mehreren 10 kV und bis zu 10 kA auf oderwerden zur Pruumlfung beneurootigt z B fuumlr Solarmodule Elektrizitaumltszaumlhler werden mitStoszligstreuroomen die aus einer netzfrequenten Sinushalbschwingung mit Amplituden vonmehreren Kiloampere bestehen gepruumlft In der Medizintechnik wird durch Umwandlungin akustische Stoszligwellen eine Zertruumlmmerung von Nieren- und Gallensteinen sowie vonKalkablagerungen in Gelenken erzielt Die Wirkung von Elektroimpulswaffen beruht aufSpannungsimpulsen die das Nervensystem des Getroffenen fuumlr eine begrenzte Zeit laumlh-men Schlieszliglich sei auf die vielfaumlltigen Anwendungen bei Untersuchungen zur elektro-magnetischen Vertraumlglichkeit von elektronischen Geraumlten bis hin zu sehr komplexenSystemen wie sie z B Flugzeuge darstellen verwiesen

Die Isolierung der Betriebsmittel wird durch die im Betrieb auftretenden Spannungenund Streuroome einer starken Beanspruchung unterzogen die die Lebensdauer beeinflusst DieKenntnis uumlber die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der verwendeten festenfluumlssigen und gasfeuroormigen Isolierstoffe ist daher ein wichtiger Teil der Hochspannungs-technik Wenn bei der Herstellung eines Betriebsmittels Fehler in der Isolierung auftretenz B bedingt durch Gaseinschluumlsse keuroonnen oberhalb einer bestimmten EinsetzspannungTeilentladungen entstehen Bei laumlngerer Einwirkung der Teilentladungen auf die umge-bende Isolierung kann es zu einer allmaumlhlichen Schaumldigung und schlieszliglich zum vollstaumln-digen Ausfall des Betriebsmittels kommen

Die Zuverlaumlssigkeit der elektrischen Energieversorgung ist eine wichtige Voraussetzungfuumlr eine florierende Wirtschaft in jedem Land und fuumlr das Wohlergehen der BeveuroolkerungJedes Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung wird daher vor seinem Einsatzeiner Reihe von Abnahmepruumlfungen unterzogen Damit werden im Pruumlflabor gegebenen-falls auch als Vor-Ort-Preuroufung am Einsatzort des Betriebsmittels die elektrischen mecha-nischen und thermischen Beanspruchungen nachgebildet die im praktischen Einsatz desBetriebsmittels auftreten keuroonnen Hierzu geheurooren zum einen Pruumlfungen mit der demNetzbetrieb entsprechenden Spannungs- oder Stromart zum anderen Pruumlfungen mit im-pulsfeuroormigen Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroomen Letztere werden im deutschsprachigenRaum als Stoszligspannungen bzw Stoszligstreuroome bezeichnet die den im Betrieb auftretendentransienten Spannungen und Streuroomen entsprechen Die Heuroohe der international genormtenPruumlfspannungen richtet sich nach der Bemessungsspannung der Betriebsmittel Mit sehrsteil ansteigenden Stoszligspannungen lassen sich zwischen platten- oder streifenfeuroormigenElektrodenanordnungen elektromagnetische Felder zur Vertraumlglichkeitspruumlfung elektroni-scher Geraumlte und Systeme erzeugen Auch die Wirkung des bei einer Nuklearexplosion ingroszliger Heuroohe ausgeleuroosten elektromagnetischen Impulses kann auf diese Weise simuliertwerden

Zusaumltzlich zu den Spannungspruumlfungen werden Betriebsmittel einer Teilentladungspruuml-fung im Pruumlflabor unterzogen Zwar ist das Phaumlnomen der Teilentladungen sehr vielschichtig

Einleitung 3

und noch nicht restlos geklaumlrt jedoch weiszlig man auf Grund jahrzehntelanger Erfahrungdass bei Uumlberschreiten einer fuumlr jedes Betriebsmittel individuellen Teilentladungsstaumlrkedie Gefahr einer langfristigen Schaumldigung der Isolierung besteht und das Betriebsmittelvorzeitig ausfaumlllt Zunehmend findet daher ein Online-Monitoring zur permanenten Uumlber-wachung der Teilentladungen statt um rechtzeitig einen meurooglichen Ausfall des Betriebs-mittels zu erkennen Weiterhin werden die elektrischen und dielektrischen Eigenschaftender Hochspannungsisolierung uumlberpruumlft Hierzu geheurooren Messgreurooszligen wie Isolationswider-stand Leitfaumlhigkeit Kapazitaumlt und Verlustfaktor des Pruumlflings

Bei allen Pruumlfungen ist eine fundierte Messtechnik erforderlich sei es weil eine Uumlber-oder Unterbeanspruchung des Betriebsmittels oder Pruumlflings vermieden werden soll oderweil die Qualitaumlt einer Anwendung z B bei einer medizinischen Behandlung oder beimelektrischen Punktschweiszligen gewaumlhrleistet sein muss Die Messung hoher Spannungenund Streuroome von Teilentladungen und dielektrischen Eigenschaften der Isolierstoffe weisteine lange Tradition auf wobei zwei entscheidende Veraumlnderungen eingetreten sind Dieseit Jahrzehnten eingesetzten mechanischen Messgeraumlte und angewandten Messverfahrenwurden schon vor einiger Zeit durch die Verfuumlgbarkeit elektronischer Messgeraumlte weitge-hend abgeleuroost Die Einfuumlhrung der digitalen Messtechnik mit numerischer Datenverarbei-tung stellt eine weitere entscheidende Zaumlsur dar und bedeutet das Ende fuumlr die meistenanalogen Messschaltungen und Messgeraumlte

Die bei Pruumlfungen eingesetzten Messmittel muumlssen hinsichtlich ihrer Messrichtigkeituumlberpruumlft sein In diesem Zusammenhang stehen Begriffe und Inhalte wie Qualitaumltssiche-rung Kalibrierung Ruumlckfuumlhrung der Messungen auf die SI-Einheiten Messunsicherheitinternational anerkannte Pruumlfvorschriften akkreditierte Pruumlf- und Kalibrierlaboratorien

Die Hochspannungs- und Energietechnik wird in der Fachliteratur ausgiebig behandeltvor allem in den aktuellen Konferenzbaumlnden nationaler und internationaler Vortragsveran-staltungen z B bdquoInternational Symposium on High Voltage Engineeringldquo (ISH) Zusam-menfassende Darstellungen finden sich in einer Reihe von Fachbuumlchern in denen dieentsprechende Messtechnik allerdings nur kurz dargestellt wird [1ndash5] Zu einzelnen The-men kann der findige Leser uumlber die bekannten Suchmaschinen auch im Internet mehr oderweniger detaillierte Informationen erhalten Die Fachbuumlcher [6ndash8] die sich speziell mit derHochspannungsmesstechnik oder mit Teilgebieten befassen sind bereits mehrere Jahr-zehnte alt oder nur als unveraumlnderter Nachdruck aumllterer Ausgaben vorhanden

Ein Teilgebiet der Hochspannungsmesstechnik die Messung von Stoszligspannungen undStoszligstreuroomen wird unter Einbeziehung der aktuellen IEC-Pruumlfbestimmungen Kalibrier-verfahren und Unsicherheitsberechnung in dem 2010 herausgegebenen Fachbuch [9]behandelt das 2013 auch in englischer Sprache erschien Das vorliegende Fachbuch stellteine Uumlberarbeitung und Erweiterung des Inhalts dieses Buches dar Es umfasst nun dieMesstechnik fuumlr Gleich- Wechsel- Stoszligspannungen und die entsprechenden StreuroomeTeilentladungen sowie elektrische und dielektrische Messgreurooszligen bei Hochspannung

4 1 Einleitung

Das Buch ist aus der Absicht entstanden die alten aber heute noch guumlltigen Grundlagen derHochspannungsmesstechnik mit den neueren Entwicklungen zu ergaumlnzen die sich alsKonsequenz der verbesserten geraumltetechnischen Ausstattung Einfuumlhrung der analog-digi-talen Datenumwandlung numerischen Datenverarbeitung und den geaumlnderten Pruumlfnormenergeben haben

Literatur

1 Beyer M Boeck W Meurooller K Zaengl W Hochspannungstechnik Theoretische und prakti-sche Grundlagen fuumlr die Anwendung Springer BerlinHeidelbergNew York (1986)

2 Kind D Feser K Hochspannungsversuchstechnik 5 Aufl Friedr Vieweg amp Sohn Braun-schweigWiesbaden (1995) Englische Ausgabe Kind D Feser K High-Voltage Test Techni-ques 2 Aufl Butterworth Heinemann Oxford (2001)

3 Kuumlchler A Hochspannungstechnik Grundlagen ndash Technologie ndashAnwendungen Bd 3 Springer-Verlag BerlinHeidelberg (2009) Englische Ausgabe Kuumlchler A High Voltage EngineeringFundamentals ndash Technology ndash Applications Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York(2013)

4 Kuffel E Zaengl WS Kuffel J High Voltage Engineering ndash Fundamentals 2 Aufl ElsevierNewness Oxford (2000)

5 Hauschild W Lemke E High-Voltage Test and Measuring Techniques Springer HeidelbergNew YorkDordrechtLondon (2013)

6 Schwab AJ Hochspannungsmesstechnik Messgeraumlte und Messverfahren Bd 2 2 Aufl SpringerBerlinHeidelbergNew York (1981) Englische Ausgabe Schwab AJ High-Voltage MeasurementTechniques MIT Press (1972)

7 Asner AM Stoszligspannungs-Meszligtechnik Springer BerlinHeidelbergNew York (1974)8 Hylteacuten-Cavallius N The measurement of high impulse voltages and currents In Claudi A

Bergman A Berlijn S Haumlllstreuroom J (Hrsg) A Review of Seven Decades of Development SPBoras (2004)

9 Schon K Stoszligspannungs- und Stoszligstrommesstechnik Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2010) Englische Ausgabe Schon K High Impulse Voltage and Current MeasurementTechniques Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2013)

Literatur 5

Hohe Wechselspannungen und -stroumlme 2

Die Uumlbertragung elektrischer Energie erfolgt uumlberwiegend mit hohen Wechselspannungenso dass dieser Spannungsart ndash und damit auch den Wechselstreuroomen ndash besondere Bedeutungzukommt Jedes Betriebsmittel fuumlr die elektrische Energieversorgung wird vor demEinsatz auf seine Zuverlaumlssigkeit gepruumlft wobei die Pruumlf- und Messverfahren sowieAnforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome in nationalen und internationalenPruumlfvorschriften festgelegt sind HoheWechselspannungen sind auch deshalb wichtig weilsie zur Erzeugung von Gleich- und Stoszligspannungen sowie fuumlr zahlreiche Anwendungen inPhysik und Technik beneurootigt werden Das Kapitel stellt die genormten Messgreurooszligen undMessverfahren vor geht kurz auf die hauptsaumlchlich verwendeten Spannungs- und Strom-erzeuger ein und befasst sich ausfuumlhrlich mit den Messsystemen und Messgeraumlten dieinzwischen weitgehend in digitaler Ausfuumlhrung mit rechnergestuumltzter Datenverarbeitungeingesetzt werden

21 Wechselspannungen

Die Pruumlf- und Messverfahren fuumlr Betriebsmittel der elektrischen Energieuumlbertragung ein-schlieszliglich der Anforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome sind in nationalenund internationalen Pruumlfvorschriften festgelegt [1ndash5] Hohe Wechselspannungen habenauch deshalb eine besondere Bedeutung da sie die Grundlage zur Erzeugung von Gleich-und Stoszligspannungen darstellen Alle Spannungsformen werden auszliger in der Energiever-sorgung auch fuumlr zahlreiche Aufgaben in Physik und Technik eingesetzt Fuumlr die imNiederspannungsbereich verwendeten Geraumlte mit Bemessungsspannungen von nicht mehrals 1 kV gelten besondere von den Hochspannungspruumlfvorschriften sinngemaumlszlig abgeleitetePruumlfvorschriften [6]

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7

Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

ffiffiffi2

p eth22THORN

Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

u2dt

vuuut eth23THORN

mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

ucirc-

0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth24THORN

der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

i( t)

icirc

ts0

1

ab

2

t

i(t)icirc

0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

VIM Internationales Weuroorterbuch der MetrologieWLAN FunknetzwerkWTO Welthandelsorganisation

Abkeurourzungen ix

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1Literatur 5

2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome 721 Wechselspannungen 722 Wechselstreuroome 9

221 Stationaumlrer Wechselstrom 10222 Kurzzeitwechselstrom 11

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen 12231 Bauarten von Preurouftransformatoren 13232 Kaskadenschaltung von Transformatoren 13233 Resonanzpreuroufanlagen 17

24 Erzeugung hoher Wechselstreuroome 1825 Messung hoher Wechselspannungen 18

251 Kapazitiver Spannungsteiler 192511 Streukapazitaumlten und einfache

Ersatzschaltbilder 20252 Analoge Messgeraumlteschaltungen 21

2521 Einfache Scheitelspannungsmesseinrichtung 222522 Messeinrichtung nach Chubb und Fortescue 22

253 Digitale Messgeraumlteschaltungen 26254 Elektrostatische Voltmeter 28255 Induktive Spannungswandler 28256 Kapazitive Spannungswandler 29257 Elektronische Spannungswandler 30258 Kugelfunkenstrecke 32

26 Messung hoher Wechselstreuroome 35

xi

261 Messwiderstaumlnde 35262 Induktive Stromwandler 35263 Messspulen mit elektronischer Dateneuroubertragung 36

2631 Rogowski-Spulen feurourWechselstrommessungen 37

2632 Strommessung aufHochspannungspotenzial 38

Literatur 40

3 Hohe Gleichspannungen und -streuroome 4331 Gleichspannungen 4332 Gleichstreuroome 45

321 Stationaumlrer Gleichstrom 45322 Kurzzeitgleichstrom 46

33 Erzeugung hoher Gleichspannungen und -streuroome 47331 Gleichrichterschaltungen 48332 Elektrostatische Generatoren 51

34 Messung hoher Gleichspannungen 51341 Messanordnung mit ohmschem Spannungsteiler 52342 Messanordnung mit Vorwiderstand 54343 Temperaturverhalten 56344 Uumlbertragungsverhalten 59

3441 Messung der Welligkeit 60345 Gleichspannungsteiler heuroochster Genauigkeit 61346 Addition von Teilspannungen 64347 Fixpunkte der Hochspannungsskale 65348 Rotationsvoltmeter 66349 Stab-Stab-Funkenstrecke 69

35 Messung hoher Gleichstreuroome 71351 Niederohmige Messwiderstaumlnde 71352 Hall-Stromsensoren 72353 Gleichstromwandler 75

Literatur 76

4 Stoszligspannungen 7941 Definitionen und Parameter von Stoszligspannungen 79

411 Blitzstoszligspannungen 804111 Toleranzen und Messunsicherheiten bei

Preuroufungen 834112 Blitzstoszligspannung mit eurouberlagerter

Schwingung 83

xii Inhaltsverzeichnis

412 Schaltstoszligspannungen 894121 Bestimmung der Scheitelzeit 90

413 Schwingende Stoszligspannungen bei Vor-Ort-Preuroufungen 92414 Steilstoszligspannung 92

42 Erzeugung von Stoszligspannungen 94421 Generatoren feurour Blitz- und Schaltstoszligspannungen 94

4211 Vervielfachungsschaltung 964212 Betrieb des Stoszligspannungsgenerators 964213 Uumlberschwingen der erzeugten

Stoszligspannung 994214 Reurouckenhalbwertszeit bei kleiner induktiver

Last 101422 Erzeugung von schwingenden Stoszligspannungen 101423 Erzeugung von abgeschnittenen Stoszligspannungen 102424 Erzeugung von Steilstoszligspannungen 103

43 Messung von Stoszligspannungen 104431 Messsysteme mit Stoszligspannungsteiler 105

4311 Grundsaumltzliche Anordnung des Preurouf- undMesskreises 105

4312 Komponenten einesStoszligspannungsmesssystems 106

4313 Maszligstabsfaktor 1104314 Streukapazitaumlt zur Erde 1114315 Allgemeine Betrachtung zum

Uumlbertragungsverhalten 1124316 Kettenleiterersatzschaltbild und

Sprungantwort 1144317 Einwirkung von Steuroorungen und

Gegenmaszlignahmen 116432 Messsysteme mit ohmschem Stoszligspannungsteiler 118

4321 Grundsaumltzlicher Aufbau des Messsystems 1184322 Sprungantwort des ohmschen Spannungsteilers

als Kettenleiter 1214323 Einfaches Ersatzschaltbild mit konzentrierten

Elementen 1234324 Feldkonformer Widerstandsteiler 1244325 Optimierter Messabgriff 1254326 Kapazitive Signaleinkopplung in den

Niederspannungsteil 1274327 Spannungsteiler mit waumlssriger Leuroosung 127

Inhaltsverzeichnis xiii

433 Kapazitiver Stoszligspannungsteiler 1284331 Aufbau des Messsystems mit kapazitivem

Spannungsteiler 1284332 Schaltung auf der Niederspannungsseite 1294333 Burch-Abschluss bei langem Messkabel 1304334 Einfache Ersatzschaltbilder mit Erdkapazitaumlt 1304335 Varianten des kapazitiven

Stoszligspannungsteilers 131434 Gedaumlmpft kapazitiver Stoszligspannungsteiler 133

4341 Aufbau des Messsystems mit gedaumlmpftkapazitivem Spannungsteiler 133

4342 Kettenleiterersatzschaltbild undSprungantwort 135

4343 Messkabel und Burch-Abschluss 1374344 Optimierung des Niederspannungsteils 1374345 Optimal und schwach gedaumlmpfte kapazitive

Stoszligspannungsteiler 1384346 Beispiele feurour Referenzteiler 139

435 Ohmsch-kapazitiv gemischter Spannungsteiler 144436 Kugelfunkenstrecke feurour Stoszligspannungsmessungen 146437 Kapazitive Feldsensoren 148

4371 Messprinzip und Ersatzschaltbild 1484372 Feldsensor feurour den Linearitaumltsnachweis von

Spannungsteilern 1504373 Dreidimensionaler Feldsensor 151

Literatur 153

5 Stoszligstreuroome 15951 Definitionen und Parameter von Stoszligstreuroomen 160

511 Exponentielle Stoszligstreuroome 160512 Rechteckstoszligstrom 162

52 Erzeugung von Stoszligstreuroomen 162521 Generatorschaltung feurour exponentielle Stoszligstreuroome 162

5211 Einfluss des Preurouflings auf den Zeitverlauf 1655212 Crowbar-Technik 166

522 Generatorschaltung feurour Rechteckstoszligstreuroome 16753 Messung von Stoszligstreuroomen 168

531 Messsystem mit niederohmigem Messwiderstand 1695311 Erdschleifen und Kopplungsimpedanz 1695312 Leiterwiderstand eines Messkabels 1725313 Induktivitaumlten eines niederohmigen

Widerstandes 173

xiv Inhaltsverzeichnis

5314 Aufbau koaxialer Messwiderstaumlnde 1765315 Stromverdraumlngung (Skineffekt) 1785316 Kettenleiterersatzschaltbild 1815317 Experimentelle Sprungantwort von

Messwiderstaumlnden 1825318 Besondere Bauformen 1845319 Grenzlastintegral 186

532 Messsysteme mit Strommessspule 1885321 Durchflutungs- und Induktionsgesetz 1885322 Integrationsverfahren 1915323 Sprungantwort von Messspulen 1925324 Potenzialfreie Messdateneuroubertragung 1935325 Rogowski-Spulen 1935326 Strommessspulen mit Magnetkern 1995327 Magnetfeldsensor 200

Literatur 203

6 Elektro- und magnetooptische Sensoren 20561 Elektrooptische Effekte 205

611 Pockels-Effekt 2066111 Pockels-Sensoren feurour Feldmessungen 2086112 Pockels-Sensoren feurour

Spannungsmessungen 2126113 Inverser piezoelektrischer Effekt 2146114 Elektrooptische Spannungswandler 215

612 Elektrooptischer Kerr-Effekt 21662 Faraday-Effekt 219

621 Magnetooptische Stromsensoren 220622 Magnetooptische Stromwandler 223

Literatur 223

7 Digitalrecorder Software und Kalibratoren 22771 Aufbau und Eigenschaften von Digitalrecordern 227

711 AD-Wandlung mit Flash-Konverter 228712 Charakteristische Daten des Digitalrecorders 230713 Weitere Eigenschaften des Digitalrecorders 232

72 Fehlerquellen der digitalen Messtechnik 234721 Ideale Quantisierung 235722 Statische differenzielle und integrale Nichtlinearitaumlten 237723 Differenzielle Nichtlinearitaumlt und Haumlufigkeitsverteilung

bei dynamischer Beanspruchung 239724 Diskrete Abtastfehler bei Sinusspannungen 241

Inhaltsverzeichnis xv

725 Effektive Bitzahl 242726 Signalsteilheit und Abtastfehler 244727 Rauschen und Jitter des AD-Wandlers 245728 Sprungantwort des Digitalrecorders 246729 Elektromagnetische Steuroorbeeinflussung 248

73 Software zur Datenauswertung 249731 Preuroufung der Auswertesoftware mit dem TDG 250

74 Kalibriergeneratoren 25175 Anforderungen an Messgeraumlte Software und Kalibratoren 253Literatur 256

8 Darstellung von Impulsen im Zeit- und Frequenzbereich 25981 Analytische Darstellung von Stoszligspannungen 259

811 Mathematischer und virtueller Nullpunkt 263812 Varianten der Stoszligspannung 264813 Parameter von Stoszligspannungen 265814 Spektrum von Stoszligspannungen 266

82 Analytische Darstellung von Stoszligstreuroomen 269821 Bestimmung der Schaltkreiselemente 272822 Spektrum von exponentiellen Stoszligstreuroomen 273

83 Analytische Darstellung von Kurzzeitwechselstreuroomen 273

9 Uumlbertragungsverhalten linearer Systeme Faltung und Entfaltung 27591 Sprungantwort eines Systems 27692 Faltungsintegral und Faltungsalgorithmus 27793 Fourier-Transformation und Uumlbertragungsfunktion 27994 Laplace-Transformation 28295 Eigenschaften von RC- und RLC-Gliedern 284

951 Sprungantwort eines Tiefpasses 284952 Sprungantwort eines Schwingkreises 285953 Uumlbertragungsfunktion von Tiefpass und Schwingkreis 287

96 Antwortzeit Anstiegszeit und Bandbreite 28897 Beispiele feurour die Faltung 291

971 Keilstoszligspannung auf RC-Glied 291972 Keilstoszligspannung auf RLC-Glied 294973 Stoszligspannung auf RC-Glied 295974 Antwortfehler und Fehlerdiagramm 296

98 Experimentelle Sprungantwort 300981 Auswertung der experimentellen Sprungantwort 301982 Antwortparameter der Sprungantwort 301983 Messschaltungen feurour die Sprungantwort 304984 Erzeugung von Sprungspannungen 306

xvi Inhaltsverzeichnis

99 Ergaumlnzende Betrachtungen zum Uumlbertragungsverhalten 310Literatur 313

10 Kalibrierung der Messsysteme 317101 Normung Akkreditierung und Reurouckfeurouhrung 317102 Kalibrierung im Allgemeinen 320103 Kalibrierung von Spannungsmesssystemen 321

1031 Vergleichsmessung mit Referenzsystem 3211032 Besonderheiten bei der Vergleichsmessung 3231033 Kalibrierung eines einzelnen Spannungsteilers 3241034 Festgesetzter Maszligstabsfaktor 325

10341 Vergleich eurouber den gesamten Spannungsbereich(Referenzverfahren) 326

10342 Vergleichsmessung eurouber einen begrenztenSpannungsbereich 327

10343 Kalibrierung der Komponenten(Alternativverfahren) 328

1035 Linearitaumltspreuroufung 3291036 Zeitparameter einer Stoszligspannung 3291037 Dynamisches Verhalten 3301038 Anforderungen an die Sprungantwort 3311039 Fehlerdiagramm feurour Scheitelwert und Zeitparameter 33310310 Einfluss benachbarter Objekte (Naumlheeffekt) 33510311 Kurz- und Langzeitverhalten 336

104 Kalibrierung von Strommesssystemen 3381041 Vergleichsmessung mit Referenzsystem bei Stoszligstrom 3381042 Linearitaumltspreuroufung 3401043 Alternativverfahren feurour Strommesssysteme 3401044 Dynamisches Verhalten 341

105 Kalibrierung von Digitalrecordern 3411051 Kalibrierung mit Exponentialimpulsen 3421052 Kalibrierung mit Sprungspannungen 3421053 Kalibrierung mit Sinusspannungen 343

Literatur 344

11 Kapazitaumlt und Verlustfaktor 347111 Grundlagen 347

1111 Verlustfaktor im Zeigerdiagramm 3481112 Ersatzschaltbilder feurour verlustbehaftetes Dielektrikum 350

112 Messverfahren feurour feste und fleuroussige Dielektrika 351

Inhaltsverzeichnis xvii

113 Messgeraumlte feurour C und tanδ 3521131 Schering-Messbreuroucke 3531132 Schering-Messbreuroucke mit Wagnerschem Hilfszweig 3551133 Messbreuroucke mit Stromkomparator 3571134 C-tanδ-Messgeraumlt mit digitaler Datenerfassung 358

114 Kalibrierung und Reurouckfeurouhrung 3591141 Kalibrierung von C-tanδ-Messgeraumlten 3601142 Verlustfaktornormale 3621143 Kryo-Verlustfaktornormal 364

115 Druckgaskondensatoren 3651151 Konstruktionen 3651152 Einfluss des Gasdrucks 3661153 Temperaturabhaumlngigkeit 3671154 Exzentrizitaumlt und Kapazitaumlt 3681155 Spannungsabhaumlngigkeit der Kapazitaumlt 3701156 Mechanische Eigenschwingung und

Resonanzfrequenz 37311561 Mechanische Eigenschwingung 37311562 Elektrische Resonanz 376

Literatur 377

12 Grundlagen der Teilentladungsmesstechnik 381121 Innere Teilentladungen bei Wechselspannung 382122 Eigenschaften von TE-Impulsen 385123 Scheinbare Ladung 388124 Abgeleitete TE-Messgreurooszligen 388125 TE-Messgeraumlte feurour die scheinbare Ladung 389

1251 Quasi-Integration durch Bandbegrenzung 39012511 Breitband-Messgeraumlt 39112512 Schmalband-Messgeraumlt 39312513 Funksteuroormessgeraumlt 394

1252 Integration der TE-Impulse im Zeitbereich 39412521 Elektronische Integrierschaltung 39512522 Digitale Messdatenerfassung numerische

Integration 3961253 Festlegung der Anzeige als Funktion f(N) 398

126 TE-Preuroufschaltungen nach IEC 60270 399127 Kalibrieren der Preurouf- und Messkreise nach IEC 60270 402

1271 Kalibrierimpulse 4021272 Kalibrieren des vollstaumlndigen Preurouf- und Messkreises 4061273 Genauigkeitsanforderungen 407

xviii Inhaltsverzeichnis

128 Visualisierung von TE-Impulsen 4081281 Phasenabhaumlngiges TE-Muster 4081282 Synchrone Mehrkanalmessung 409

129 Besondere Mess- und Nachweisverfahren 4131291 VHF- und UHF-Messverfahren 413

12911 UHF-Messverfahren feurour GIS 41412912 UHF-Messverfahren feurour Transformatoren 41612913 TE-Messsonde feurour schnelle Vor-Ort-Messung 417

1292 TE-Messverfahren feurour Kabel und Muffen 4191293 Akustische TE-Ortung 4231294 Optische TE-Messverfahren 4261295 Chemische Nachweisverfahren 428

1210 Teilentladungen bei Gleichspannung 4291211 Teilentladungen bei Stoszligspannung 431Literatur 433

13 Bestimmung von Messunsicherheiten 441131 Der GUM 441

1311 Grundkonzept des GUM 4421312 Modellfunktion einer Messung 4431313 Ermittlungsmethode vom Typ A 4451314 Ermittlungsmethode vom Typ B 4461315 Beigeordnete Standardmessunsicherheit 4491316 Erweiterte Messunsicherheit 4511317 Effektiver Freiheitsgrad 4521318 Messunsicherheitsbudget 4531319 Angabe des vollstaumlndigen Messergebnisses 453

132 Abschlieszligende Bemerkungen 453Literatur 455

Anhang A Fourier- und Laplace-Transformation 457

Anhang B Beispiele zur Bestimmung von Messunsicherheiten 463

Sachverzeichnis 473

Inhaltsverzeichnis xix

Einleitung 1

Die Uumlbertragung elektrischer Energie vom Erzeuger zu den Ballungszentren erfolgt vor-wiegend uumlber Freileitungen auf hohem Potential um die Leitungsstreuroome und Uumlber-tragungsverluste gering zu halten In den Ballungszentren selbst wird die Energieweiter verteilt uumlber erdverlegte Hochspannungskabel oder gasisolierte Schaltanlagen(GIS) und Leitungen (GIL) Weltweit uumlblich ist die Energieuumlbertragung mit dreiphasigenWechselspannungen die sich mit Leistungstransformatoren auf die gewuumlnschten Span-nungsebenen hinauf und herunter transformieren lassen Die heuroochsten Spannungsebenenfuumlr die Energieuumlbertragung sind 400 kV in Europa 750 kV in Nordamerika und 1000 kV inAsien Die Frequenz der annaumlhend sinusfeuroormigenWechselspannung betraumlgt 50 Hz in Europaund einer Vielzahl von Laumlndern gegenuumlber 60 Hz in Nord- Mittel- und Teilen vonSuumldamerika Die Deutsche Bahn betreibt ein eigenes Versorgungsnetz mit einphasigerWechselspannung von 110 kV und einer Frequenz von 167 Hz Weiterhin existiert eineVielzahl lokaler Versorgungsnetze fuumlr regionale Bahnen mit unterschiedlichen FrequenzenHohe Wechselspannungen werden auch fuumlr andere Bereiche von Physik und Technikbeneurootigt hauptsaumlchlich in Geraumlten und Anlagen zur Erzeugung von Gleichspannungen durchGleichrichtung

Die Uumlbertragung elektrischer Energie uumlber Entfernungen von mehr als 700 km erfolgtvorteilhaft bei Gleichspannung da hierbei geringere Uumlbertragungsverluste als bei Wechsel-spannung auftreten und greurooszligere Leistungen uumlbertragbar sind Die Spannungen bei der

Hochspannungsgleichstromeuroubertragung (HGeuroU ) betragen in der Regel bis zu 500 kV inAsien sind sogar Anlagen mit maximal 800 kV im Betrieb oder geplant Aber auch kurzeUumlbertragungsstrecken (HGUuml-Kurzkupplungen) zur Verbindung zweier Wechselspannungs-netze mit nicht synchroner Netzfrequenz werden eingesetzt HGUuml-Anlagen findet man auchbei See- oder Erdkabeln mit einer Laumlnge von bis zumehreren 100 kmWeiterhin sei auf die inDeutschland vorgenommene Energiewende hingewiesen bei der zukuumlnftig die durch Wind-kraft im Norden gewonnene Energie uumlber Gleichstromtrassen in die suumldlichen Landesteile

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_1

1

gebracht wird Schlieszliglich werden in einer futuristisch anmutenden Planungsstudie dietechnischen wirtschaftlichen und politischen Voraussetzungen untersucht um die in derSahara in Nordafrika mit Fotovoltaik-Anlagen aufgefangene Sonnenenergie uumlber HGUuml-Trassen nach Europa zu transportieren

Hohe Gleichspannungen werden bei einer Vielzahl weiterer Anwendungen eingesetztz B in Reuroontgenanlagen Staubfilteranlagen Beschichtungs- und Lackieranlagen bei derHerstellung von Aluminium usw Mit elektrostatischen Bandgeneratoren nach van deGraaff lassen sich besonders hohe und oberschwingungsfreie Gleichspannungen von biszu 25 MV erzeugen die jedoch nur mit geringen Stromstaumlrken von einigen Milliamperebelastbar sind und daher fuumlr die elektrische Energieuumlbertragung nicht in Frage kommen Siewerden vorwiegend in Beschleunigeranlagen fuumlr kernphysikalische Grundlagenuntersu-chungen verwendet

In den Betriebsanlagen zur Uumlbertragung und Verteilung elektrischer Energie bei Hoch-

spannung keuroonnen transiente euroUberspannungen mit Scheitelwerten von weit mehr als 1 MVentstehen die damit greurooszliger als die maximalen Uumlbertragungsspannungen bei Gleich- undWechselstrom sind Ursache der Uumlberspannungen sind direkte oder indirekte Blitzeinschleuroageauf Freileitungen oder in Freiluftschaltanlagen Kurzschluumlsse oder Uumlberschlaumlge durch Ver-sagen der elektrischen Isolierung Schaltvorgaumlnge in Umspannwerken und das Ansprechenvon Uumlberspannungsableitern Die transienten Spannungen haben Anstiegszeiten vorwiegendim Bereich von Mikrosekunden bis Millisekunden Bei Uumlber- oder Durchschlaumlgen und beimAnsprechen von Uumlberspannungsableitern kann der Spannungszusammenbruch sehr schnellerfolgen mit Abfallzeiten unter 1 μs Extrem kurze Zeiten im Bereich von wenigen 100 ns bishinunter zu 1 ns treten bei Schalthandlungen und Uumlberschlaumlgen in gasisolierten Schaltanla-gen auf Auch im Niederspannungsnetz keuroonnen beim Ein- und Ausschalten elektrischerGeraumlte transiente Spannungen von mehr als 1 kV auftreten die die Geraumlte in ihrer Funkti-onsweise beeinflussen oder sogar zersteurooren keuroonnen

Die in der Energieversorgung eingesetzten Betriebsmittel sind ebenfalls hohen Gleich-und Wechselstreuroomen ausgesetzt zum Beispiel bei Kurzschluumlssen im VersorgungsnetzDabei kann es zur Uumlberlagerung einer Gleichstromkomponente kommen wodurch derKurzschlusswechselstrom kurzzeitig einen Scheitelwert von 200 kA und mehr erreichtTransiente Ausgleichsstreuroome keuroonnen durch direkte oder indirekte Einwirkung vonBlitzentladungen entstehen mit Scheitelwerten im Bereich von 100 kA und Anstiegszeitenvon 1 μs Erfolgt der Blitzeinschlag in eine Freileitung breiten sich die Stromimpulse nachbeiden Seiten der Leitung aus und verursachen an den Betriebsmitteln am Leitungsendehohe transiente Spannungen die sich der Betriebswechselspannung des Netzes uumlberlagernZum Schutz der Betriebsmittel werden daher Uumlberspannungsableiter eingesetzt BeimAnsprechen der Ableiter keuroonnen sich auch die an der Betriebswechselspannung liegendenLeitungen entladen Die Ableiter werden dadurch mit einem annaumlhernd rechteckfeuroormigenStromimpuls mit einer Zeitdauer im Bereich von 1 ms beansprucht

Auch in anderen Bereichen von Physik und Technik treten hohe impulsfeuroormige Span-nungen und Streuroome mit Anstiegszeiten im Mikro- und Nanosekundenbereich auf oder sindfuumlr bestimmte Anwendungen von Nutzen wie die folgenden Beispiele zeigen In der

2 1 Einleitung

Plasmaphysik werden damit extrem groszlige Magnetfelder zum kurzzeitigen Einschluss vonPlasmen erzeugt Bei elektrischen Punktschweiszligungen erreichen die Impulsstreuroome Schei-telwerte von bis zu 200 kA Elektronische Zuumlndsysteme fuumlr Verbrennungsmotoren erzeu-gen Impulsspannungen mit Scheitelwerten von maximal 30 kV In der Leistungselektroniktreten Impulsspannungen und -streuroome von mehreren 10 kV und bis zu 10 kA auf oderwerden zur Pruumlfung beneurootigt z B fuumlr Solarmodule Elektrizitaumltszaumlhler werden mitStoszligstreuroomen die aus einer netzfrequenten Sinushalbschwingung mit Amplituden vonmehreren Kiloampere bestehen gepruumlft In der Medizintechnik wird durch Umwandlungin akustische Stoszligwellen eine Zertruumlmmerung von Nieren- und Gallensteinen sowie vonKalkablagerungen in Gelenken erzielt Die Wirkung von Elektroimpulswaffen beruht aufSpannungsimpulsen die das Nervensystem des Getroffenen fuumlr eine begrenzte Zeit laumlh-men Schlieszliglich sei auf die vielfaumlltigen Anwendungen bei Untersuchungen zur elektro-magnetischen Vertraumlglichkeit von elektronischen Geraumlten bis hin zu sehr komplexenSystemen wie sie z B Flugzeuge darstellen verwiesen

Die Isolierung der Betriebsmittel wird durch die im Betrieb auftretenden Spannungenund Streuroome einer starken Beanspruchung unterzogen die die Lebensdauer beeinflusst DieKenntnis uumlber die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der verwendeten festenfluumlssigen und gasfeuroormigen Isolierstoffe ist daher ein wichtiger Teil der Hochspannungs-technik Wenn bei der Herstellung eines Betriebsmittels Fehler in der Isolierung auftretenz B bedingt durch Gaseinschluumlsse keuroonnen oberhalb einer bestimmten EinsetzspannungTeilentladungen entstehen Bei laumlngerer Einwirkung der Teilentladungen auf die umge-bende Isolierung kann es zu einer allmaumlhlichen Schaumldigung und schlieszliglich zum vollstaumln-digen Ausfall des Betriebsmittels kommen

Die Zuverlaumlssigkeit der elektrischen Energieversorgung ist eine wichtige Voraussetzungfuumlr eine florierende Wirtschaft in jedem Land und fuumlr das Wohlergehen der BeveuroolkerungJedes Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung wird daher vor seinem Einsatzeiner Reihe von Abnahmepruumlfungen unterzogen Damit werden im Pruumlflabor gegebenen-falls auch als Vor-Ort-Preuroufung am Einsatzort des Betriebsmittels die elektrischen mecha-nischen und thermischen Beanspruchungen nachgebildet die im praktischen Einsatz desBetriebsmittels auftreten keuroonnen Hierzu geheurooren zum einen Pruumlfungen mit der demNetzbetrieb entsprechenden Spannungs- oder Stromart zum anderen Pruumlfungen mit im-pulsfeuroormigen Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroomen Letztere werden im deutschsprachigenRaum als Stoszligspannungen bzw Stoszligstreuroome bezeichnet die den im Betrieb auftretendentransienten Spannungen und Streuroomen entsprechen Die Heuroohe der international genormtenPruumlfspannungen richtet sich nach der Bemessungsspannung der Betriebsmittel Mit sehrsteil ansteigenden Stoszligspannungen lassen sich zwischen platten- oder streifenfeuroormigenElektrodenanordnungen elektromagnetische Felder zur Vertraumlglichkeitspruumlfung elektroni-scher Geraumlte und Systeme erzeugen Auch die Wirkung des bei einer Nuklearexplosion ingroszliger Heuroohe ausgeleuroosten elektromagnetischen Impulses kann auf diese Weise simuliertwerden

Zusaumltzlich zu den Spannungspruumlfungen werden Betriebsmittel einer Teilentladungspruuml-fung im Pruumlflabor unterzogen Zwar ist das Phaumlnomen der Teilentladungen sehr vielschichtig

Einleitung 3

und noch nicht restlos geklaumlrt jedoch weiszlig man auf Grund jahrzehntelanger Erfahrungdass bei Uumlberschreiten einer fuumlr jedes Betriebsmittel individuellen Teilentladungsstaumlrkedie Gefahr einer langfristigen Schaumldigung der Isolierung besteht und das Betriebsmittelvorzeitig ausfaumlllt Zunehmend findet daher ein Online-Monitoring zur permanenten Uumlber-wachung der Teilentladungen statt um rechtzeitig einen meurooglichen Ausfall des Betriebs-mittels zu erkennen Weiterhin werden die elektrischen und dielektrischen Eigenschaftender Hochspannungsisolierung uumlberpruumlft Hierzu geheurooren Messgreurooszligen wie Isolationswider-stand Leitfaumlhigkeit Kapazitaumlt und Verlustfaktor des Pruumlflings

Bei allen Pruumlfungen ist eine fundierte Messtechnik erforderlich sei es weil eine Uumlber-oder Unterbeanspruchung des Betriebsmittels oder Pruumlflings vermieden werden soll oderweil die Qualitaumlt einer Anwendung z B bei einer medizinischen Behandlung oder beimelektrischen Punktschweiszligen gewaumlhrleistet sein muss Die Messung hoher Spannungenund Streuroome von Teilentladungen und dielektrischen Eigenschaften der Isolierstoffe weisteine lange Tradition auf wobei zwei entscheidende Veraumlnderungen eingetreten sind Dieseit Jahrzehnten eingesetzten mechanischen Messgeraumlte und angewandten Messverfahrenwurden schon vor einiger Zeit durch die Verfuumlgbarkeit elektronischer Messgeraumlte weitge-hend abgeleuroost Die Einfuumlhrung der digitalen Messtechnik mit numerischer Datenverarbei-tung stellt eine weitere entscheidende Zaumlsur dar und bedeutet das Ende fuumlr die meistenanalogen Messschaltungen und Messgeraumlte

Die bei Pruumlfungen eingesetzten Messmittel muumlssen hinsichtlich ihrer Messrichtigkeituumlberpruumlft sein In diesem Zusammenhang stehen Begriffe und Inhalte wie Qualitaumltssiche-rung Kalibrierung Ruumlckfuumlhrung der Messungen auf die SI-Einheiten Messunsicherheitinternational anerkannte Pruumlfvorschriften akkreditierte Pruumlf- und Kalibrierlaboratorien

Die Hochspannungs- und Energietechnik wird in der Fachliteratur ausgiebig behandeltvor allem in den aktuellen Konferenzbaumlnden nationaler und internationaler Vortragsveran-staltungen z B bdquoInternational Symposium on High Voltage Engineeringldquo (ISH) Zusam-menfassende Darstellungen finden sich in einer Reihe von Fachbuumlchern in denen dieentsprechende Messtechnik allerdings nur kurz dargestellt wird [1ndash5] Zu einzelnen The-men kann der findige Leser uumlber die bekannten Suchmaschinen auch im Internet mehr oderweniger detaillierte Informationen erhalten Die Fachbuumlcher [6ndash8] die sich speziell mit derHochspannungsmesstechnik oder mit Teilgebieten befassen sind bereits mehrere Jahr-zehnte alt oder nur als unveraumlnderter Nachdruck aumllterer Ausgaben vorhanden

Ein Teilgebiet der Hochspannungsmesstechnik die Messung von Stoszligspannungen undStoszligstreuroomen wird unter Einbeziehung der aktuellen IEC-Pruumlfbestimmungen Kalibrier-verfahren und Unsicherheitsberechnung in dem 2010 herausgegebenen Fachbuch [9]behandelt das 2013 auch in englischer Sprache erschien Das vorliegende Fachbuch stellteine Uumlberarbeitung und Erweiterung des Inhalts dieses Buches dar Es umfasst nun dieMesstechnik fuumlr Gleich- Wechsel- Stoszligspannungen und die entsprechenden StreuroomeTeilentladungen sowie elektrische und dielektrische Messgreurooszligen bei Hochspannung

4 1 Einleitung

Das Buch ist aus der Absicht entstanden die alten aber heute noch guumlltigen Grundlagen derHochspannungsmesstechnik mit den neueren Entwicklungen zu ergaumlnzen die sich alsKonsequenz der verbesserten geraumltetechnischen Ausstattung Einfuumlhrung der analog-digi-talen Datenumwandlung numerischen Datenverarbeitung und den geaumlnderten Pruumlfnormenergeben haben

Literatur

1 Beyer M Boeck W Meurooller K Zaengl W Hochspannungstechnik Theoretische und prakti-sche Grundlagen fuumlr die Anwendung Springer BerlinHeidelbergNew York (1986)

2 Kind D Feser K Hochspannungsversuchstechnik 5 Aufl Friedr Vieweg amp Sohn Braun-schweigWiesbaden (1995) Englische Ausgabe Kind D Feser K High-Voltage Test Techni-ques 2 Aufl Butterworth Heinemann Oxford (2001)

3 Kuumlchler A Hochspannungstechnik Grundlagen ndash Technologie ndashAnwendungen Bd 3 Springer-Verlag BerlinHeidelberg (2009) Englische Ausgabe Kuumlchler A High Voltage EngineeringFundamentals ndash Technology ndash Applications Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York(2013)

4 Kuffel E Zaengl WS Kuffel J High Voltage Engineering ndash Fundamentals 2 Aufl ElsevierNewness Oxford (2000)

5 Hauschild W Lemke E High-Voltage Test and Measuring Techniques Springer HeidelbergNew YorkDordrechtLondon (2013)

6 Schwab AJ Hochspannungsmesstechnik Messgeraumlte und Messverfahren Bd 2 2 Aufl SpringerBerlinHeidelbergNew York (1981) Englische Ausgabe Schwab AJ High-Voltage MeasurementTechniques MIT Press (1972)

7 Asner AM Stoszligspannungs-Meszligtechnik Springer BerlinHeidelbergNew York (1974)8 Hylteacuten-Cavallius N The measurement of high impulse voltages and currents In Claudi A

Bergman A Berlijn S Haumlllstreuroom J (Hrsg) A Review of Seven Decades of Development SPBoras (2004)

9 Schon K Stoszligspannungs- und Stoszligstrommesstechnik Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2010) Englische Ausgabe Schon K High Impulse Voltage and Current MeasurementTechniques Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2013)

Literatur 5

Hohe Wechselspannungen und -stroumlme 2

Die Uumlbertragung elektrischer Energie erfolgt uumlberwiegend mit hohen Wechselspannungenso dass dieser Spannungsart ndash und damit auch den Wechselstreuroomen ndash besondere Bedeutungzukommt Jedes Betriebsmittel fuumlr die elektrische Energieversorgung wird vor demEinsatz auf seine Zuverlaumlssigkeit gepruumlft wobei die Pruumlf- und Messverfahren sowieAnforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome in nationalen und internationalenPruumlfvorschriften festgelegt sind HoheWechselspannungen sind auch deshalb wichtig weilsie zur Erzeugung von Gleich- und Stoszligspannungen sowie fuumlr zahlreiche Anwendungen inPhysik und Technik beneurootigt werden Das Kapitel stellt die genormten Messgreurooszligen undMessverfahren vor geht kurz auf die hauptsaumlchlich verwendeten Spannungs- und Strom-erzeuger ein und befasst sich ausfuumlhrlich mit den Messsystemen und Messgeraumlten dieinzwischen weitgehend in digitaler Ausfuumlhrung mit rechnergestuumltzter Datenverarbeitungeingesetzt werden

21 Wechselspannungen

Die Pruumlf- und Messverfahren fuumlr Betriebsmittel der elektrischen Energieuumlbertragung ein-schlieszliglich der Anforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome sind in nationalenund internationalen Pruumlfvorschriften festgelegt [1ndash5] Hohe Wechselspannungen habenauch deshalb eine besondere Bedeutung da sie die Grundlage zur Erzeugung von Gleich-und Stoszligspannungen darstellen Alle Spannungsformen werden auszliger in der Energiever-sorgung auch fuumlr zahlreiche Aufgaben in Physik und Technik eingesetzt Fuumlr die imNiederspannungsbereich verwendeten Geraumlte mit Bemessungsspannungen von nicht mehrals 1 kV gelten besondere von den Hochspannungspruumlfvorschriften sinngemaumlszlig abgeleitetePruumlfvorschriften [6]

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_2

7

Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

ffiffiffi2

p eth22THORN

Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

u2dt

vuuut eth23THORN

mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

ucirc-

0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth24THORN

der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

i( t)

icirc

ts0

1

ab

2

t

i(t)icirc

0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1Literatur 5

2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome 721 Wechselspannungen 722 Wechselstreuroome 9

221 Stationaumlrer Wechselstrom 10222 Kurzzeitwechselstrom 11

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen 12231 Bauarten von Preurouftransformatoren 13232 Kaskadenschaltung von Transformatoren 13233 Resonanzpreuroufanlagen 17

24 Erzeugung hoher Wechselstreuroome 1825 Messung hoher Wechselspannungen 18

251 Kapazitiver Spannungsteiler 192511 Streukapazitaumlten und einfache

Ersatzschaltbilder 20252 Analoge Messgeraumlteschaltungen 21

2521 Einfache Scheitelspannungsmesseinrichtung 222522 Messeinrichtung nach Chubb und Fortescue 22

253 Digitale Messgeraumlteschaltungen 26254 Elektrostatische Voltmeter 28255 Induktive Spannungswandler 28256 Kapazitive Spannungswandler 29257 Elektronische Spannungswandler 30258 Kugelfunkenstrecke 32

26 Messung hoher Wechselstreuroome 35

xi

261 Messwiderstaumlnde 35262 Induktive Stromwandler 35263 Messspulen mit elektronischer Dateneuroubertragung 36

2631 Rogowski-Spulen feurourWechselstrommessungen 37

2632 Strommessung aufHochspannungspotenzial 38

Literatur 40

3 Hohe Gleichspannungen und -streuroome 4331 Gleichspannungen 4332 Gleichstreuroome 45

321 Stationaumlrer Gleichstrom 45322 Kurzzeitgleichstrom 46

33 Erzeugung hoher Gleichspannungen und -streuroome 47331 Gleichrichterschaltungen 48332 Elektrostatische Generatoren 51

34 Messung hoher Gleichspannungen 51341 Messanordnung mit ohmschem Spannungsteiler 52342 Messanordnung mit Vorwiderstand 54343 Temperaturverhalten 56344 Uumlbertragungsverhalten 59

3441 Messung der Welligkeit 60345 Gleichspannungsteiler heuroochster Genauigkeit 61346 Addition von Teilspannungen 64347 Fixpunkte der Hochspannungsskale 65348 Rotationsvoltmeter 66349 Stab-Stab-Funkenstrecke 69

35 Messung hoher Gleichstreuroome 71351 Niederohmige Messwiderstaumlnde 71352 Hall-Stromsensoren 72353 Gleichstromwandler 75

Literatur 76

4 Stoszligspannungen 7941 Definitionen und Parameter von Stoszligspannungen 79

411 Blitzstoszligspannungen 804111 Toleranzen und Messunsicherheiten bei

Preuroufungen 834112 Blitzstoszligspannung mit eurouberlagerter

Schwingung 83

xii Inhaltsverzeichnis

412 Schaltstoszligspannungen 894121 Bestimmung der Scheitelzeit 90

413 Schwingende Stoszligspannungen bei Vor-Ort-Preuroufungen 92414 Steilstoszligspannung 92

42 Erzeugung von Stoszligspannungen 94421 Generatoren feurour Blitz- und Schaltstoszligspannungen 94

4211 Vervielfachungsschaltung 964212 Betrieb des Stoszligspannungsgenerators 964213 Uumlberschwingen der erzeugten

Stoszligspannung 994214 Reurouckenhalbwertszeit bei kleiner induktiver

Last 101422 Erzeugung von schwingenden Stoszligspannungen 101423 Erzeugung von abgeschnittenen Stoszligspannungen 102424 Erzeugung von Steilstoszligspannungen 103

43 Messung von Stoszligspannungen 104431 Messsysteme mit Stoszligspannungsteiler 105

4311 Grundsaumltzliche Anordnung des Preurouf- undMesskreises 105

4312 Komponenten einesStoszligspannungsmesssystems 106

4313 Maszligstabsfaktor 1104314 Streukapazitaumlt zur Erde 1114315 Allgemeine Betrachtung zum

Uumlbertragungsverhalten 1124316 Kettenleiterersatzschaltbild und

Sprungantwort 1144317 Einwirkung von Steuroorungen und

Gegenmaszlignahmen 116432 Messsysteme mit ohmschem Stoszligspannungsteiler 118

4321 Grundsaumltzlicher Aufbau des Messsystems 1184322 Sprungantwort des ohmschen Spannungsteilers

als Kettenleiter 1214323 Einfaches Ersatzschaltbild mit konzentrierten

Elementen 1234324 Feldkonformer Widerstandsteiler 1244325 Optimierter Messabgriff 1254326 Kapazitive Signaleinkopplung in den

Niederspannungsteil 1274327 Spannungsteiler mit waumlssriger Leuroosung 127

Inhaltsverzeichnis xiii

433 Kapazitiver Stoszligspannungsteiler 1284331 Aufbau des Messsystems mit kapazitivem

Spannungsteiler 1284332 Schaltung auf der Niederspannungsseite 1294333 Burch-Abschluss bei langem Messkabel 1304334 Einfache Ersatzschaltbilder mit Erdkapazitaumlt 1304335 Varianten des kapazitiven

Stoszligspannungsteilers 131434 Gedaumlmpft kapazitiver Stoszligspannungsteiler 133

4341 Aufbau des Messsystems mit gedaumlmpftkapazitivem Spannungsteiler 133

4342 Kettenleiterersatzschaltbild undSprungantwort 135

4343 Messkabel und Burch-Abschluss 1374344 Optimierung des Niederspannungsteils 1374345 Optimal und schwach gedaumlmpfte kapazitive

Stoszligspannungsteiler 1384346 Beispiele feurour Referenzteiler 139

435 Ohmsch-kapazitiv gemischter Spannungsteiler 144436 Kugelfunkenstrecke feurour Stoszligspannungsmessungen 146437 Kapazitive Feldsensoren 148

4371 Messprinzip und Ersatzschaltbild 1484372 Feldsensor feurour den Linearitaumltsnachweis von

Spannungsteilern 1504373 Dreidimensionaler Feldsensor 151

Literatur 153

5 Stoszligstreuroome 15951 Definitionen und Parameter von Stoszligstreuroomen 160

511 Exponentielle Stoszligstreuroome 160512 Rechteckstoszligstrom 162

52 Erzeugung von Stoszligstreuroomen 162521 Generatorschaltung feurour exponentielle Stoszligstreuroome 162

5211 Einfluss des Preurouflings auf den Zeitverlauf 1655212 Crowbar-Technik 166

522 Generatorschaltung feurour Rechteckstoszligstreuroome 16753 Messung von Stoszligstreuroomen 168

531 Messsystem mit niederohmigem Messwiderstand 1695311 Erdschleifen und Kopplungsimpedanz 1695312 Leiterwiderstand eines Messkabels 1725313 Induktivitaumlten eines niederohmigen

Widerstandes 173

xiv Inhaltsverzeichnis

5314 Aufbau koaxialer Messwiderstaumlnde 1765315 Stromverdraumlngung (Skineffekt) 1785316 Kettenleiterersatzschaltbild 1815317 Experimentelle Sprungantwort von

Messwiderstaumlnden 1825318 Besondere Bauformen 1845319 Grenzlastintegral 186

532 Messsysteme mit Strommessspule 1885321 Durchflutungs- und Induktionsgesetz 1885322 Integrationsverfahren 1915323 Sprungantwort von Messspulen 1925324 Potenzialfreie Messdateneuroubertragung 1935325 Rogowski-Spulen 1935326 Strommessspulen mit Magnetkern 1995327 Magnetfeldsensor 200

Literatur 203

6 Elektro- und magnetooptische Sensoren 20561 Elektrooptische Effekte 205

611 Pockels-Effekt 2066111 Pockels-Sensoren feurour Feldmessungen 2086112 Pockels-Sensoren feurour

Spannungsmessungen 2126113 Inverser piezoelektrischer Effekt 2146114 Elektrooptische Spannungswandler 215

612 Elektrooptischer Kerr-Effekt 21662 Faraday-Effekt 219

621 Magnetooptische Stromsensoren 220622 Magnetooptische Stromwandler 223

Literatur 223

7 Digitalrecorder Software und Kalibratoren 22771 Aufbau und Eigenschaften von Digitalrecordern 227

711 AD-Wandlung mit Flash-Konverter 228712 Charakteristische Daten des Digitalrecorders 230713 Weitere Eigenschaften des Digitalrecorders 232

72 Fehlerquellen der digitalen Messtechnik 234721 Ideale Quantisierung 235722 Statische differenzielle und integrale Nichtlinearitaumlten 237723 Differenzielle Nichtlinearitaumlt und Haumlufigkeitsverteilung

bei dynamischer Beanspruchung 239724 Diskrete Abtastfehler bei Sinusspannungen 241

Inhaltsverzeichnis xv

725 Effektive Bitzahl 242726 Signalsteilheit und Abtastfehler 244727 Rauschen und Jitter des AD-Wandlers 245728 Sprungantwort des Digitalrecorders 246729 Elektromagnetische Steuroorbeeinflussung 248

73 Software zur Datenauswertung 249731 Preuroufung der Auswertesoftware mit dem TDG 250

74 Kalibriergeneratoren 25175 Anforderungen an Messgeraumlte Software und Kalibratoren 253Literatur 256

8 Darstellung von Impulsen im Zeit- und Frequenzbereich 25981 Analytische Darstellung von Stoszligspannungen 259

811 Mathematischer und virtueller Nullpunkt 263812 Varianten der Stoszligspannung 264813 Parameter von Stoszligspannungen 265814 Spektrum von Stoszligspannungen 266

82 Analytische Darstellung von Stoszligstreuroomen 269821 Bestimmung der Schaltkreiselemente 272822 Spektrum von exponentiellen Stoszligstreuroomen 273

83 Analytische Darstellung von Kurzzeitwechselstreuroomen 273

9 Uumlbertragungsverhalten linearer Systeme Faltung und Entfaltung 27591 Sprungantwort eines Systems 27692 Faltungsintegral und Faltungsalgorithmus 27793 Fourier-Transformation und Uumlbertragungsfunktion 27994 Laplace-Transformation 28295 Eigenschaften von RC- und RLC-Gliedern 284

951 Sprungantwort eines Tiefpasses 284952 Sprungantwort eines Schwingkreises 285953 Uumlbertragungsfunktion von Tiefpass und Schwingkreis 287

96 Antwortzeit Anstiegszeit und Bandbreite 28897 Beispiele feurour die Faltung 291

971 Keilstoszligspannung auf RC-Glied 291972 Keilstoszligspannung auf RLC-Glied 294973 Stoszligspannung auf RC-Glied 295974 Antwortfehler und Fehlerdiagramm 296

98 Experimentelle Sprungantwort 300981 Auswertung der experimentellen Sprungantwort 301982 Antwortparameter der Sprungantwort 301983 Messschaltungen feurour die Sprungantwort 304984 Erzeugung von Sprungspannungen 306

xvi Inhaltsverzeichnis

99 Ergaumlnzende Betrachtungen zum Uumlbertragungsverhalten 310Literatur 313

10 Kalibrierung der Messsysteme 317101 Normung Akkreditierung und Reurouckfeurouhrung 317102 Kalibrierung im Allgemeinen 320103 Kalibrierung von Spannungsmesssystemen 321

1031 Vergleichsmessung mit Referenzsystem 3211032 Besonderheiten bei der Vergleichsmessung 3231033 Kalibrierung eines einzelnen Spannungsteilers 3241034 Festgesetzter Maszligstabsfaktor 325

10341 Vergleich eurouber den gesamten Spannungsbereich(Referenzverfahren) 326

10342 Vergleichsmessung eurouber einen begrenztenSpannungsbereich 327

10343 Kalibrierung der Komponenten(Alternativverfahren) 328

1035 Linearitaumltspreuroufung 3291036 Zeitparameter einer Stoszligspannung 3291037 Dynamisches Verhalten 3301038 Anforderungen an die Sprungantwort 3311039 Fehlerdiagramm feurour Scheitelwert und Zeitparameter 33310310 Einfluss benachbarter Objekte (Naumlheeffekt) 33510311 Kurz- und Langzeitverhalten 336

104 Kalibrierung von Strommesssystemen 3381041 Vergleichsmessung mit Referenzsystem bei Stoszligstrom 3381042 Linearitaumltspreuroufung 3401043 Alternativverfahren feurour Strommesssysteme 3401044 Dynamisches Verhalten 341

105 Kalibrierung von Digitalrecordern 3411051 Kalibrierung mit Exponentialimpulsen 3421052 Kalibrierung mit Sprungspannungen 3421053 Kalibrierung mit Sinusspannungen 343

Literatur 344

11 Kapazitaumlt und Verlustfaktor 347111 Grundlagen 347

1111 Verlustfaktor im Zeigerdiagramm 3481112 Ersatzschaltbilder feurour verlustbehaftetes Dielektrikum 350

112 Messverfahren feurour feste und fleuroussige Dielektrika 351

Inhaltsverzeichnis xvii

113 Messgeraumlte feurour C und tanδ 3521131 Schering-Messbreuroucke 3531132 Schering-Messbreuroucke mit Wagnerschem Hilfszweig 3551133 Messbreuroucke mit Stromkomparator 3571134 C-tanδ-Messgeraumlt mit digitaler Datenerfassung 358

114 Kalibrierung und Reurouckfeurouhrung 3591141 Kalibrierung von C-tanδ-Messgeraumlten 3601142 Verlustfaktornormale 3621143 Kryo-Verlustfaktornormal 364

115 Druckgaskondensatoren 3651151 Konstruktionen 3651152 Einfluss des Gasdrucks 3661153 Temperaturabhaumlngigkeit 3671154 Exzentrizitaumlt und Kapazitaumlt 3681155 Spannungsabhaumlngigkeit der Kapazitaumlt 3701156 Mechanische Eigenschwingung und

Resonanzfrequenz 37311561 Mechanische Eigenschwingung 37311562 Elektrische Resonanz 376

Literatur 377

12 Grundlagen der Teilentladungsmesstechnik 381121 Innere Teilentladungen bei Wechselspannung 382122 Eigenschaften von TE-Impulsen 385123 Scheinbare Ladung 388124 Abgeleitete TE-Messgreurooszligen 388125 TE-Messgeraumlte feurour die scheinbare Ladung 389

1251 Quasi-Integration durch Bandbegrenzung 39012511 Breitband-Messgeraumlt 39112512 Schmalband-Messgeraumlt 39312513 Funksteuroormessgeraumlt 394

1252 Integration der TE-Impulse im Zeitbereich 39412521 Elektronische Integrierschaltung 39512522 Digitale Messdatenerfassung numerische

Integration 3961253 Festlegung der Anzeige als Funktion f(N) 398

126 TE-Preuroufschaltungen nach IEC 60270 399127 Kalibrieren der Preurouf- und Messkreise nach IEC 60270 402

1271 Kalibrierimpulse 4021272 Kalibrieren des vollstaumlndigen Preurouf- und Messkreises 4061273 Genauigkeitsanforderungen 407

xviii Inhaltsverzeichnis

128 Visualisierung von TE-Impulsen 4081281 Phasenabhaumlngiges TE-Muster 4081282 Synchrone Mehrkanalmessung 409

129 Besondere Mess- und Nachweisverfahren 4131291 VHF- und UHF-Messverfahren 413

12911 UHF-Messverfahren feurour GIS 41412912 UHF-Messverfahren feurour Transformatoren 41612913 TE-Messsonde feurour schnelle Vor-Ort-Messung 417

1292 TE-Messverfahren feurour Kabel und Muffen 4191293 Akustische TE-Ortung 4231294 Optische TE-Messverfahren 4261295 Chemische Nachweisverfahren 428

1210 Teilentladungen bei Gleichspannung 4291211 Teilentladungen bei Stoszligspannung 431Literatur 433

13 Bestimmung von Messunsicherheiten 441131 Der GUM 441

1311 Grundkonzept des GUM 4421312 Modellfunktion einer Messung 4431313 Ermittlungsmethode vom Typ A 4451314 Ermittlungsmethode vom Typ B 4461315 Beigeordnete Standardmessunsicherheit 4491316 Erweiterte Messunsicherheit 4511317 Effektiver Freiheitsgrad 4521318 Messunsicherheitsbudget 4531319 Angabe des vollstaumlndigen Messergebnisses 453

132 Abschlieszligende Bemerkungen 453Literatur 455

Anhang A Fourier- und Laplace-Transformation 457

Anhang B Beispiele zur Bestimmung von Messunsicherheiten 463

Sachverzeichnis 473

Inhaltsverzeichnis xix

Einleitung 1

Die Uumlbertragung elektrischer Energie vom Erzeuger zu den Ballungszentren erfolgt vor-wiegend uumlber Freileitungen auf hohem Potential um die Leitungsstreuroome und Uumlber-tragungsverluste gering zu halten In den Ballungszentren selbst wird die Energieweiter verteilt uumlber erdverlegte Hochspannungskabel oder gasisolierte Schaltanlagen(GIS) und Leitungen (GIL) Weltweit uumlblich ist die Energieuumlbertragung mit dreiphasigenWechselspannungen die sich mit Leistungstransformatoren auf die gewuumlnschten Span-nungsebenen hinauf und herunter transformieren lassen Die heuroochsten Spannungsebenenfuumlr die Energieuumlbertragung sind 400 kV in Europa 750 kV in Nordamerika und 1000 kV inAsien Die Frequenz der annaumlhend sinusfeuroormigenWechselspannung betraumlgt 50 Hz in Europaund einer Vielzahl von Laumlndern gegenuumlber 60 Hz in Nord- Mittel- und Teilen vonSuumldamerika Die Deutsche Bahn betreibt ein eigenes Versorgungsnetz mit einphasigerWechselspannung von 110 kV und einer Frequenz von 167 Hz Weiterhin existiert eineVielzahl lokaler Versorgungsnetze fuumlr regionale Bahnen mit unterschiedlichen FrequenzenHohe Wechselspannungen werden auch fuumlr andere Bereiche von Physik und Technikbeneurootigt hauptsaumlchlich in Geraumlten und Anlagen zur Erzeugung von Gleichspannungen durchGleichrichtung

Die Uumlbertragung elektrischer Energie uumlber Entfernungen von mehr als 700 km erfolgtvorteilhaft bei Gleichspannung da hierbei geringere Uumlbertragungsverluste als bei Wechsel-spannung auftreten und greurooszligere Leistungen uumlbertragbar sind Die Spannungen bei der

Hochspannungsgleichstromeuroubertragung (HGeuroU ) betragen in der Regel bis zu 500 kV inAsien sind sogar Anlagen mit maximal 800 kV im Betrieb oder geplant Aber auch kurzeUumlbertragungsstrecken (HGUuml-Kurzkupplungen) zur Verbindung zweier Wechselspannungs-netze mit nicht synchroner Netzfrequenz werden eingesetzt HGUuml-Anlagen findet man auchbei See- oder Erdkabeln mit einer Laumlnge von bis zumehreren 100 kmWeiterhin sei auf die inDeutschland vorgenommene Energiewende hingewiesen bei der zukuumlnftig die durch Wind-kraft im Norden gewonnene Energie uumlber Gleichstromtrassen in die suumldlichen Landesteile

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_1

1

gebracht wird Schlieszliglich werden in einer futuristisch anmutenden Planungsstudie dietechnischen wirtschaftlichen und politischen Voraussetzungen untersucht um die in derSahara in Nordafrika mit Fotovoltaik-Anlagen aufgefangene Sonnenenergie uumlber HGUuml-Trassen nach Europa zu transportieren

Hohe Gleichspannungen werden bei einer Vielzahl weiterer Anwendungen eingesetztz B in Reuroontgenanlagen Staubfilteranlagen Beschichtungs- und Lackieranlagen bei derHerstellung von Aluminium usw Mit elektrostatischen Bandgeneratoren nach van deGraaff lassen sich besonders hohe und oberschwingungsfreie Gleichspannungen von biszu 25 MV erzeugen die jedoch nur mit geringen Stromstaumlrken von einigen Milliamperebelastbar sind und daher fuumlr die elektrische Energieuumlbertragung nicht in Frage kommen Siewerden vorwiegend in Beschleunigeranlagen fuumlr kernphysikalische Grundlagenuntersu-chungen verwendet

In den Betriebsanlagen zur Uumlbertragung und Verteilung elektrischer Energie bei Hoch-

spannung keuroonnen transiente euroUberspannungen mit Scheitelwerten von weit mehr als 1 MVentstehen die damit greurooszliger als die maximalen Uumlbertragungsspannungen bei Gleich- undWechselstrom sind Ursache der Uumlberspannungen sind direkte oder indirekte Blitzeinschleuroageauf Freileitungen oder in Freiluftschaltanlagen Kurzschluumlsse oder Uumlberschlaumlge durch Ver-sagen der elektrischen Isolierung Schaltvorgaumlnge in Umspannwerken und das Ansprechenvon Uumlberspannungsableitern Die transienten Spannungen haben Anstiegszeiten vorwiegendim Bereich von Mikrosekunden bis Millisekunden Bei Uumlber- oder Durchschlaumlgen und beimAnsprechen von Uumlberspannungsableitern kann der Spannungszusammenbruch sehr schnellerfolgen mit Abfallzeiten unter 1 μs Extrem kurze Zeiten im Bereich von wenigen 100 ns bishinunter zu 1 ns treten bei Schalthandlungen und Uumlberschlaumlgen in gasisolierten Schaltanla-gen auf Auch im Niederspannungsnetz keuroonnen beim Ein- und Ausschalten elektrischerGeraumlte transiente Spannungen von mehr als 1 kV auftreten die die Geraumlte in ihrer Funkti-onsweise beeinflussen oder sogar zersteurooren keuroonnen

Die in der Energieversorgung eingesetzten Betriebsmittel sind ebenfalls hohen Gleich-und Wechselstreuroomen ausgesetzt zum Beispiel bei Kurzschluumlssen im VersorgungsnetzDabei kann es zur Uumlberlagerung einer Gleichstromkomponente kommen wodurch derKurzschlusswechselstrom kurzzeitig einen Scheitelwert von 200 kA und mehr erreichtTransiente Ausgleichsstreuroome keuroonnen durch direkte oder indirekte Einwirkung vonBlitzentladungen entstehen mit Scheitelwerten im Bereich von 100 kA und Anstiegszeitenvon 1 μs Erfolgt der Blitzeinschlag in eine Freileitung breiten sich die Stromimpulse nachbeiden Seiten der Leitung aus und verursachen an den Betriebsmitteln am Leitungsendehohe transiente Spannungen die sich der Betriebswechselspannung des Netzes uumlberlagernZum Schutz der Betriebsmittel werden daher Uumlberspannungsableiter eingesetzt BeimAnsprechen der Ableiter keuroonnen sich auch die an der Betriebswechselspannung liegendenLeitungen entladen Die Ableiter werden dadurch mit einem annaumlhernd rechteckfeuroormigenStromimpuls mit einer Zeitdauer im Bereich von 1 ms beansprucht

Auch in anderen Bereichen von Physik und Technik treten hohe impulsfeuroormige Span-nungen und Streuroome mit Anstiegszeiten im Mikro- und Nanosekundenbereich auf oder sindfuumlr bestimmte Anwendungen von Nutzen wie die folgenden Beispiele zeigen In der

2 1 Einleitung

Plasmaphysik werden damit extrem groszlige Magnetfelder zum kurzzeitigen Einschluss vonPlasmen erzeugt Bei elektrischen Punktschweiszligungen erreichen die Impulsstreuroome Schei-telwerte von bis zu 200 kA Elektronische Zuumlndsysteme fuumlr Verbrennungsmotoren erzeu-gen Impulsspannungen mit Scheitelwerten von maximal 30 kV In der Leistungselektroniktreten Impulsspannungen und -streuroome von mehreren 10 kV und bis zu 10 kA auf oderwerden zur Pruumlfung beneurootigt z B fuumlr Solarmodule Elektrizitaumltszaumlhler werden mitStoszligstreuroomen die aus einer netzfrequenten Sinushalbschwingung mit Amplituden vonmehreren Kiloampere bestehen gepruumlft In der Medizintechnik wird durch Umwandlungin akustische Stoszligwellen eine Zertruumlmmerung von Nieren- und Gallensteinen sowie vonKalkablagerungen in Gelenken erzielt Die Wirkung von Elektroimpulswaffen beruht aufSpannungsimpulsen die das Nervensystem des Getroffenen fuumlr eine begrenzte Zeit laumlh-men Schlieszliglich sei auf die vielfaumlltigen Anwendungen bei Untersuchungen zur elektro-magnetischen Vertraumlglichkeit von elektronischen Geraumlten bis hin zu sehr komplexenSystemen wie sie z B Flugzeuge darstellen verwiesen

Die Isolierung der Betriebsmittel wird durch die im Betrieb auftretenden Spannungenund Streuroome einer starken Beanspruchung unterzogen die die Lebensdauer beeinflusst DieKenntnis uumlber die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der verwendeten festenfluumlssigen und gasfeuroormigen Isolierstoffe ist daher ein wichtiger Teil der Hochspannungs-technik Wenn bei der Herstellung eines Betriebsmittels Fehler in der Isolierung auftretenz B bedingt durch Gaseinschluumlsse keuroonnen oberhalb einer bestimmten EinsetzspannungTeilentladungen entstehen Bei laumlngerer Einwirkung der Teilentladungen auf die umge-bende Isolierung kann es zu einer allmaumlhlichen Schaumldigung und schlieszliglich zum vollstaumln-digen Ausfall des Betriebsmittels kommen

Die Zuverlaumlssigkeit der elektrischen Energieversorgung ist eine wichtige Voraussetzungfuumlr eine florierende Wirtschaft in jedem Land und fuumlr das Wohlergehen der BeveuroolkerungJedes Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung wird daher vor seinem Einsatzeiner Reihe von Abnahmepruumlfungen unterzogen Damit werden im Pruumlflabor gegebenen-falls auch als Vor-Ort-Preuroufung am Einsatzort des Betriebsmittels die elektrischen mecha-nischen und thermischen Beanspruchungen nachgebildet die im praktischen Einsatz desBetriebsmittels auftreten keuroonnen Hierzu geheurooren zum einen Pruumlfungen mit der demNetzbetrieb entsprechenden Spannungs- oder Stromart zum anderen Pruumlfungen mit im-pulsfeuroormigen Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroomen Letztere werden im deutschsprachigenRaum als Stoszligspannungen bzw Stoszligstreuroome bezeichnet die den im Betrieb auftretendentransienten Spannungen und Streuroomen entsprechen Die Heuroohe der international genormtenPruumlfspannungen richtet sich nach der Bemessungsspannung der Betriebsmittel Mit sehrsteil ansteigenden Stoszligspannungen lassen sich zwischen platten- oder streifenfeuroormigenElektrodenanordnungen elektromagnetische Felder zur Vertraumlglichkeitspruumlfung elektroni-scher Geraumlte und Systeme erzeugen Auch die Wirkung des bei einer Nuklearexplosion ingroszliger Heuroohe ausgeleuroosten elektromagnetischen Impulses kann auf diese Weise simuliertwerden

Zusaumltzlich zu den Spannungspruumlfungen werden Betriebsmittel einer Teilentladungspruuml-fung im Pruumlflabor unterzogen Zwar ist das Phaumlnomen der Teilentladungen sehr vielschichtig

Einleitung 3

und noch nicht restlos geklaumlrt jedoch weiszlig man auf Grund jahrzehntelanger Erfahrungdass bei Uumlberschreiten einer fuumlr jedes Betriebsmittel individuellen Teilentladungsstaumlrkedie Gefahr einer langfristigen Schaumldigung der Isolierung besteht und das Betriebsmittelvorzeitig ausfaumlllt Zunehmend findet daher ein Online-Monitoring zur permanenten Uumlber-wachung der Teilentladungen statt um rechtzeitig einen meurooglichen Ausfall des Betriebs-mittels zu erkennen Weiterhin werden die elektrischen und dielektrischen Eigenschaftender Hochspannungsisolierung uumlberpruumlft Hierzu geheurooren Messgreurooszligen wie Isolationswider-stand Leitfaumlhigkeit Kapazitaumlt und Verlustfaktor des Pruumlflings

Bei allen Pruumlfungen ist eine fundierte Messtechnik erforderlich sei es weil eine Uumlber-oder Unterbeanspruchung des Betriebsmittels oder Pruumlflings vermieden werden soll oderweil die Qualitaumlt einer Anwendung z B bei einer medizinischen Behandlung oder beimelektrischen Punktschweiszligen gewaumlhrleistet sein muss Die Messung hoher Spannungenund Streuroome von Teilentladungen und dielektrischen Eigenschaften der Isolierstoffe weisteine lange Tradition auf wobei zwei entscheidende Veraumlnderungen eingetreten sind Dieseit Jahrzehnten eingesetzten mechanischen Messgeraumlte und angewandten Messverfahrenwurden schon vor einiger Zeit durch die Verfuumlgbarkeit elektronischer Messgeraumlte weitge-hend abgeleuroost Die Einfuumlhrung der digitalen Messtechnik mit numerischer Datenverarbei-tung stellt eine weitere entscheidende Zaumlsur dar und bedeutet das Ende fuumlr die meistenanalogen Messschaltungen und Messgeraumlte

Die bei Pruumlfungen eingesetzten Messmittel muumlssen hinsichtlich ihrer Messrichtigkeituumlberpruumlft sein In diesem Zusammenhang stehen Begriffe und Inhalte wie Qualitaumltssiche-rung Kalibrierung Ruumlckfuumlhrung der Messungen auf die SI-Einheiten Messunsicherheitinternational anerkannte Pruumlfvorschriften akkreditierte Pruumlf- und Kalibrierlaboratorien

Die Hochspannungs- und Energietechnik wird in der Fachliteratur ausgiebig behandeltvor allem in den aktuellen Konferenzbaumlnden nationaler und internationaler Vortragsveran-staltungen z B bdquoInternational Symposium on High Voltage Engineeringldquo (ISH) Zusam-menfassende Darstellungen finden sich in einer Reihe von Fachbuumlchern in denen dieentsprechende Messtechnik allerdings nur kurz dargestellt wird [1ndash5] Zu einzelnen The-men kann der findige Leser uumlber die bekannten Suchmaschinen auch im Internet mehr oderweniger detaillierte Informationen erhalten Die Fachbuumlcher [6ndash8] die sich speziell mit derHochspannungsmesstechnik oder mit Teilgebieten befassen sind bereits mehrere Jahr-zehnte alt oder nur als unveraumlnderter Nachdruck aumllterer Ausgaben vorhanden

Ein Teilgebiet der Hochspannungsmesstechnik die Messung von Stoszligspannungen undStoszligstreuroomen wird unter Einbeziehung der aktuellen IEC-Pruumlfbestimmungen Kalibrier-verfahren und Unsicherheitsberechnung in dem 2010 herausgegebenen Fachbuch [9]behandelt das 2013 auch in englischer Sprache erschien Das vorliegende Fachbuch stellteine Uumlberarbeitung und Erweiterung des Inhalts dieses Buches dar Es umfasst nun dieMesstechnik fuumlr Gleich- Wechsel- Stoszligspannungen und die entsprechenden StreuroomeTeilentladungen sowie elektrische und dielektrische Messgreurooszligen bei Hochspannung

4 1 Einleitung

Das Buch ist aus der Absicht entstanden die alten aber heute noch guumlltigen Grundlagen derHochspannungsmesstechnik mit den neueren Entwicklungen zu ergaumlnzen die sich alsKonsequenz der verbesserten geraumltetechnischen Ausstattung Einfuumlhrung der analog-digi-talen Datenumwandlung numerischen Datenverarbeitung und den geaumlnderten Pruumlfnormenergeben haben

Literatur

1 Beyer M Boeck W Meurooller K Zaengl W Hochspannungstechnik Theoretische und prakti-sche Grundlagen fuumlr die Anwendung Springer BerlinHeidelbergNew York (1986)

2 Kind D Feser K Hochspannungsversuchstechnik 5 Aufl Friedr Vieweg amp Sohn Braun-schweigWiesbaden (1995) Englische Ausgabe Kind D Feser K High-Voltage Test Techni-ques 2 Aufl Butterworth Heinemann Oxford (2001)

3 Kuumlchler A Hochspannungstechnik Grundlagen ndash Technologie ndashAnwendungen Bd 3 Springer-Verlag BerlinHeidelberg (2009) Englische Ausgabe Kuumlchler A High Voltage EngineeringFundamentals ndash Technology ndash Applications Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York(2013)

4 Kuffel E Zaengl WS Kuffel J High Voltage Engineering ndash Fundamentals 2 Aufl ElsevierNewness Oxford (2000)

5 Hauschild W Lemke E High-Voltage Test and Measuring Techniques Springer HeidelbergNew YorkDordrechtLondon (2013)

6 Schwab AJ Hochspannungsmesstechnik Messgeraumlte und Messverfahren Bd 2 2 Aufl SpringerBerlinHeidelbergNew York (1981) Englische Ausgabe Schwab AJ High-Voltage MeasurementTechniques MIT Press (1972)

7 Asner AM Stoszligspannungs-Meszligtechnik Springer BerlinHeidelbergNew York (1974)8 Hylteacuten-Cavallius N The measurement of high impulse voltages and currents In Claudi A

Bergman A Berlijn S Haumlllstreuroom J (Hrsg) A Review of Seven Decades of Development SPBoras (2004)

9 Schon K Stoszligspannungs- und Stoszligstrommesstechnik Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2010) Englische Ausgabe Schon K High Impulse Voltage and Current MeasurementTechniques Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2013)

Literatur 5

Hohe Wechselspannungen und -stroumlme 2

Die Uumlbertragung elektrischer Energie erfolgt uumlberwiegend mit hohen Wechselspannungenso dass dieser Spannungsart ndash und damit auch den Wechselstreuroomen ndash besondere Bedeutungzukommt Jedes Betriebsmittel fuumlr die elektrische Energieversorgung wird vor demEinsatz auf seine Zuverlaumlssigkeit gepruumlft wobei die Pruumlf- und Messverfahren sowieAnforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome in nationalen und internationalenPruumlfvorschriften festgelegt sind HoheWechselspannungen sind auch deshalb wichtig weilsie zur Erzeugung von Gleich- und Stoszligspannungen sowie fuumlr zahlreiche Anwendungen inPhysik und Technik beneurootigt werden Das Kapitel stellt die genormten Messgreurooszligen undMessverfahren vor geht kurz auf die hauptsaumlchlich verwendeten Spannungs- und Strom-erzeuger ein und befasst sich ausfuumlhrlich mit den Messsystemen und Messgeraumlten dieinzwischen weitgehend in digitaler Ausfuumlhrung mit rechnergestuumltzter Datenverarbeitungeingesetzt werden

21 Wechselspannungen

Die Pruumlf- und Messverfahren fuumlr Betriebsmittel der elektrischen Energieuumlbertragung ein-schlieszliglich der Anforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome sind in nationalenund internationalen Pruumlfvorschriften festgelegt [1ndash5] Hohe Wechselspannungen habenauch deshalb eine besondere Bedeutung da sie die Grundlage zur Erzeugung von Gleich-und Stoszligspannungen darstellen Alle Spannungsformen werden auszliger in der Energiever-sorgung auch fuumlr zahlreiche Aufgaben in Physik und Technik eingesetzt Fuumlr die imNiederspannungsbereich verwendeten Geraumlte mit Bemessungsspannungen von nicht mehrals 1 kV gelten besondere von den Hochspannungspruumlfvorschriften sinngemaumlszlig abgeleitetePruumlfvorschriften [6]

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7

Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

ffiffiffi2

p eth22THORN

Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

u2dt

vuuut eth23THORN

mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

ucirc-

0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth24THORN

der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

i( t)

icirc

ts0

1

ab

2

t

i(t)icirc

0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

261 Messwiderstaumlnde 35262 Induktive Stromwandler 35263 Messspulen mit elektronischer Dateneuroubertragung 36

2631 Rogowski-Spulen feurourWechselstrommessungen 37

2632 Strommessung aufHochspannungspotenzial 38

Literatur 40

3 Hohe Gleichspannungen und -streuroome 4331 Gleichspannungen 4332 Gleichstreuroome 45

321 Stationaumlrer Gleichstrom 45322 Kurzzeitgleichstrom 46

33 Erzeugung hoher Gleichspannungen und -streuroome 47331 Gleichrichterschaltungen 48332 Elektrostatische Generatoren 51

34 Messung hoher Gleichspannungen 51341 Messanordnung mit ohmschem Spannungsteiler 52342 Messanordnung mit Vorwiderstand 54343 Temperaturverhalten 56344 Uumlbertragungsverhalten 59

3441 Messung der Welligkeit 60345 Gleichspannungsteiler heuroochster Genauigkeit 61346 Addition von Teilspannungen 64347 Fixpunkte der Hochspannungsskale 65348 Rotationsvoltmeter 66349 Stab-Stab-Funkenstrecke 69

35 Messung hoher Gleichstreuroome 71351 Niederohmige Messwiderstaumlnde 71352 Hall-Stromsensoren 72353 Gleichstromwandler 75

Literatur 76

4 Stoszligspannungen 7941 Definitionen und Parameter von Stoszligspannungen 79

411 Blitzstoszligspannungen 804111 Toleranzen und Messunsicherheiten bei

Preuroufungen 834112 Blitzstoszligspannung mit eurouberlagerter

Schwingung 83

xii Inhaltsverzeichnis

412 Schaltstoszligspannungen 894121 Bestimmung der Scheitelzeit 90

413 Schwingende Stoszligspannungen bei Vor-Ort-Preuroufungen 92414 Steilstoszligspannung 92

42 Erzeugung von Stoszligspannungen 94421 Generatoren feurour Blitz- und Schaltstoszligspannungen 94

4211 Vervielfachungsschaltung 964212 Betrieb des Stoszligspannungsgenerators 964213 Uumlberschwingen der erzeugten

Stoszligspannung 994214 Reurouckenhalbwertszeit bei kleiner induktiver

Last 101422 Erzeugung von schwingenden Stoszligspannungen 101423 Erzeugung von abgeschnittenen Stoszligspannungen 102424 Erzeugung von Steilstoszligspannungen 103

43 Messung von Stoszligspannungen 104431 Messsysteme mit Stoszligspannungsteiler 105

4311 Grundsaumltzliche Anordnung des Preurouf- undMesskreises 105

4312 Komponenten einesStoszligspannungsmesssystems 106

4313 Maszligstabsfaktor 1104314 Streukapazitaumlt zur Erde 1114315 Allgemeine Betrachtung zum

Uumlbertragungsverhalten 1124316 Kettenleiterersatzschaltbild und

Sprungantwort 1144317 Einwirkung von Steuroorungen und

Gegenmaszlignahmen 116432 Messsysteme mit ohmschem Stoszligspannungsteiler 118

4321 Grundsaumltzlicher Aufbau des Messsystems 1184322 Sprungantwort des ohmschen Spannungsteilers

als Kettenleiter 1214323 Einfaches Ersatzschaltbild mit konzentrierten

Elementen 1234324 Feldkonformer Widerstandsteiler 1244325 Optimierter Messabgriff 1254326 Kapazitive Signaleinkopplung in den

Niederspannungsteil 1274327 Spannungsteiler mit waumlssriger Leuroosung 127

Inhaltsverzeichnis xiii

433 Kapazitiver Stoszligspannungsteiler 1284331 Aufbau des Messsystems mit kapazitivem

Spannungsteiler 1284332 Schaltung auf der Niederspannungsseite 1294333 Burch-Abschluss bei langem Messkabel 1304334 Einfache Ersatzschaltbilder mit Erdkapazitaumlt 1304335 Varianten des kapazitiven

Stoszligspannungsteilers 131434 Gedaumlmpft kapazitiver Stoszligspannungsteiler 133

4341 Aufbau des Messsystems mit gedaumlmpftkapazitivem Spannungsteiler 133

4342 Kettenleiterersatzschaltbild undSprungantwort 135

4343 Messkabel und Burch-Abschluss 1374344 Optimierung des Niederspannungsteils 1374345 Optimal und schwach gedaumlmpfte kapazitive

Stoszligspannungsteiler 1384346 Beispiele feurour Referenzteiler 139

435 Ohmsch-kapazitiv gemischter Spannungsteiler 144436 Kugelfunkenstrecke feurour Stoszligspannungsmessungen 146437 Kapazitive Feldsensoren 148

4371 Messprinzip und Ersatzschaltbild 1484372 Feldsensor feurour den Linearitaumltsnachweis von

Spannungsteilern 1504373 Dreidimensionaler Feldsensor 151

Literatur 153

5 Stoszligstreuroome 15951 Definitionen und Parameter von Stoszligstreuroomen 160

511 Exponentielle Stoszligstreuroome 160512 Rechteckstoszligstrom 162

52 Erzeugung von Stoszligstreuroomen 162521 Generatorschaltung feurour exponentielle Stoszligstreuroome 162

5211 Einfluss des Preurouflings auf den Zeitverlauf 1655212 Crowbar-Technik 166

522 Generatorschaltung feurour Rechteckstoszligstreuroome 16753 Messung von Stoszligstreuroomen 168

531 Messsystem mit niederohmigem Messwiderstand 1695311 Erdschleifen und Kopplungsimpedanz 1695312 Leiterwiderstand eines Messkabels 1725313 Induktivitaumlten eines niederohmigen

Widerstandes 173

xiv Inhaltsverzeichnis

5314 Aufbau koaxialer Messwiderstaumlnde 1765315 Stromverdraumlngung (Skineffekt) 1785316 Kettenleiterersatzschaltbild 1815317 Experimentelle Sprungantwort von

Messwiderstaumlnden 1825318 Besondere Bauformen 1845319 Grenzlastintegral 186

532 Messsysteme mit Strommessspule 1885321 Durchflutungs- und Induktionsgesetz 1885322 Integrationsverfahren 1915323 Sprungantwort von Messspulen 1925324 Potenzialfreie Messdateneuroubertragung 1935325 Rogowski-Spulen 1935326 Strommessspulen mit Magnetkern 1995327 Magnetfeldsensor 200

Literatur 203

6 Elektro- und magnetooptische Sensoren 20561 Elektrooptische Effekte 205

611 Pockels-Effekt 2066111 Pockels-Sensoren feurour Feldmessungen 2086112 Pockels-Sensoren feurour

Spannungsmessungen 2126113 Inverser piezoelektrischer Effekt 2146114 Elektrooptische Spannungswandler 215

612 Elektrooptischer Kerr-Effekt 21662 Faraday-Effekt 219

621 Magnetooptische Stromsensoren 220622 Magnetooptische Stromwandler 223

Literatur 223

7 Digitalrecorder Software und Kalibratoren 22771 Aufbau und Eigenschaften von Digitalrecordern 227

711 AD-Wandlung mit Flash-Konverter 228712 Charakteristische Daten des Digitalrecorders 230713 Weitere Eigenschaften des Digitalrecorders 232

72 Fehlerquellen der digitalen Messtechnik 234721 Ideale Quantisierung 235722 Statische differenzielle und integrale Nichtlinearitaumlten 237723 Differenzielle Nichtlinearitaumlt und Haumlufigkeitsverteilung

bei dynamischer Beanspruchung 239724 Diskrete Abtastfehler bei Sinusspannungen 241

Inhaltsverzeichnis xv

725 Effektive Bitzahl 242726 Signalsteilheit und Abtastfehler 244727 Rauschen und Jitter des AD-Wandlers 245728 Sprungantwort des Digitalrecorders 246729 Elektromagnetische Steuroorbeeinflussung 248

73 Software zur Datenauswertung 249731 Preuroufung der Auswertesoftware mit dem TDG 250

74 Kalibriergeneratoren 25175 Anforderungen an Messgeraumlte Software und Kalibratoren 253Literatur 256

8 Darstellung von Impulsen im Zeit- und Frequenzbereich 25981 Analytische Darstellung von Stoszligspannungen 259

811 Mathematischer und virtueller Nullpunkt 263812 Varianten der Stoszligspannung 264813 Parameter von Stoszligspannungen 265814 Spektrum von Stoszligspannungen 266

82 Analytische Darstellung von Stoszligstreuroomen 269821 Bestimmung der Schaltkreiselemente 272822 Spektrum von exponentiellen Stoszligstreuroomen 273

83 Analytische Darstellung von Kurzzeitwechselstreuroomen 273

9 Uumlbertragungsverhalten linearer Systeme Faltung und Entfaltung 27591 Sprungantwort eines Systems 27692 Faltungsintegral und Faltungsalgorithmus 27793 Fourier-Transformation und Uumlbertragungsfunktion 27994 Laplace-Transformation 28295 Eigenschaften von RC- und RLC-Gliedern 284

951 Sprungantwort eines Tiefpasses 284952 Sprungantwort eines Schwingkreises 285953 Uumlbertragungsfunktion von Tiefpass und Schwingkreis 287

96 Antwortzeit Anstiegszeit und Bandbreite 28897 Beispiele feurour die Faltung 291

971 Keilstoszligspannung auf RC-Glied 291972 Keilstoszligspannung auf RLC-Glied 294973 Stoszligspannung auf RC-Glied 295974 Antwortfehler und Fehlerdiagramm 296

98 Experimentelle Sprungantwort 300981 Auswertung der experimentellen Sprungantwort 301982 Antwortparameter der Sprungantwort 301983 Messschaltungen feurour die Sprungantwort 304984 Erzeugung von Sprungspannungen 306

xvi Inhaltsverzeichnis

99 Ergaumlnzende Betrachtungen zum Uumlbertragungsverhalten 310Literatur 313

10 Kalibrierung der Messsysteme 317101 Normung Akkreditierung und Reurouckfeurouhrung 317102 Kalibrierung im Allgemeinen 320103 Kalibrierung von Spannungsmesssystemen 321

1031 Vergleichsmessung mit Referenzsystem 3211032 Besonderheiten bei der Vergleichsmessung 3231033 Kalibrierung eines einzelnen Spannungsteilers 3241034 Festgesetzter Maszligstabsfaktor 325

10341 Vergleich eurouber den gesamten Spannungsbereich(Referenzverfahren) 326

10342 Vergleichsmessung eurouber einen begrenztenSpannungsbereich 327

10343 Kalibrierung der Komponenten(Alternativverfahren) 328

1035 Linearitaumltspreuroufung 3291036 Zeitparameter einer Stoszligspannung 3291037 Dynamisches Verhalten 3301038 Anforderungen an die Sprungantwort 3311039 Fehlerdiagramm feurour Scheitelwert und Zeitparameter 33310310 Einfluss benachbarter Objekte (Naumlheeffekt) 33510311 Kurz- und Langzeitverhalten 336

104 Kalibrierung von Strommesssystemen 3381041 Vergleichsmessung mit Referenzsystem bei Stoszligstrom 3381042 Linearitaumltspreuroufung 3401043 Alternativverfahren feurour Strommesssysteme 3401044 Dynamisches Verhalten 341

105 Kalibrierung von Digitalrecordern 3411051 Kalibrierung mit Exponentialimpulsen 3421052 Kalibrierung mit Sprungspannungen 3421053 Kalibrierung mit Sinusspannungen 343

Literatur 344

11 Kapazitaumlt und Verlustfaktor 347111 Grundlagen 347

1111 Verlustfaktor im Zeigerdiagramm 3481112 Ersatzschaltbilder feurour verlustbehaftetes Dielektrikum 350

112 Messverfahren feurour feste und fleuroussige Dielektrika 351

Inhaltsverzeichnis xvii

113 Messgeraumlte feurour C und tanδ 3521131 Schering-Messbreuroucke 3531132 Schering-Messbreuroucke mit Wagnerschem Hilfszweig 3551133 Messbreuroucke mit Stromkomparator 3571134 C-tanδ-Messgeraumlt mit digitaler Datenerfassung 358

114 Kalibrierung und Reurouckfeurouhrung 3591141 Kalibrierung von C-tanδ-Messgeraumlten 3601142 Verlustfaktornormale 3621143 Kryo-Verlustfaktornormal 364

115 Druckgaskondensatoren 3651151 Konstruktionen 3651152 Einfluss des Gasdrucks 3661153 Temperaturabhaumlngigkeit 3671154 Exzentrizitaumlt und Kapazitaumlt 3681155 Spannungsabhaumlngigkeit der Kapazitaumlt 3701156 Mechanische Eigenschwingung und

Resonanzfrequenz 37311561 Mechanische Eigenschwingung 37311562 Elektrische Resonanz 376

Literatur 377

12 Grundlagen der Teilentladungsmesstechnik 381121 Innere Teilentladungen bei Wechselspannung 382122 Eigenschaften von TE-Impulsen 385123 Scheinbare Ladung 388124 Abgeleitete TE-Messgreurooszligen 388125 TE-Messgeraumlte feurour die scheinbare Ladung 389

1251 Quasi-Integration durch Bandbegrenzung 39012511 Breitband-Messgeraumlt 39112512 Schmalband-Messgeraumlt 39312513 Funksteuroormessgeraumlt 394

1252 Integration der TE-Impulse im Zeitbereich 39412521 Elektronische Integrierschaltung 39512522 Digitale Messdatenerfassung numerische

Integration 3961253 Festlegung der Anzeige als Funktion f(N) 398

126 TE-Preuroufschaltungen nach IEC 60270 399127 Kalibrieren der Preurouf- und Messkreise nach IEC 60270 402

1271 Kalibrierimpulse 4021272 Kalibrieren des vollstaumlndigen Preurouf- und Messkreises 4061273 Genauigkeitsanforderungen 407

xviii Inhaltsverzeichnis

128 Visualisierung von TE-Impulsen 4081281 Phasenabhaumlngiges TE-Muster 4081282 Synchrone Mehrkanalmessung 409

129 Besondere Mess- und Nachweisverfahren 4131291 VHF- und UHF-Messverfahren 413

12911 UHF-Messverfahren feurour GIS 41412912 UHF-Messverfahren feurour Transformatoren 41612913 TE-Messsonde feurour schnelle Vor-Ort-Messung 417

1292 TE-Messverfahren feurour Kabel und Muffen 4191293 Akustische TE-Ortung 4231294 Optische TE-Messverfahren 4261295 Chemische Nachweisverfahren 428

1210 Teilentladungen bei Gleichspannung 4291211 Teilentladungen bei Stoszligspannung 431Literatur 433

13 Bestimmung von Messunsicherheiten 441131 Der GUM 441

1311 Grundkonzept des GUM 4421312 Modellfunktion einer Messung 4431313 Ermittlungsmethode vom Typ A 4451314 Ermittlungsmethode vom Typ B 4461315 Beigeordnete Standardmessunsicherheit 4491316 Erweiterte Messunsicherheit 4511317 Effektiver Freiheitsgrad 4521318 Messunsicherheitsbudget 4531319 Angabe des vollstaumlndigen Messergebnisses 453

132 Abschlieszligende Bemerkungen 453Literatur 455

Anhang A Fourier- und Laplace-Transformation 457

Anhang B Beispiele zur Bestimmung von Messunsicherheiten 463

Sachverzeichnis 473

Inhaltsverzeichnis xix

Einleitung 1

Die Uumlbertragung elektrischer Energie vom Erzeuger zu den Ballungszentren erfolgt vor-wiegend uumlber Freileitungen auf hohem Potential um die Leitungsstreuroome und Uumlber-tragungsverluste gering zu halten In den Ballungszentren selbst wird die Energieweiter verteilt uumlber erdverlegte Hochspannungskabel oder gasisolierte Schaltanlagen(GIS) und Leitungen (GIL) Weltweit uumlblich ist die Energieuumlbertragung mit dreiphasigenWechselspannungen die sich mit Leistungstransformatoren auf die gewuumlnschten Span-nungsebenen hinauf und herunter transformieren lassen Die heuroochsten Spannungsebenenfuumlr die Energieuumlbertragung sind 400 kV in Europa 750 kV in Nordamerika und 1000 kV inAsien Die Frequenz der annaumlhend sinusfeuroormigenWechselspannung betraumlgt 50 Hz in Europaund einer Vielzahl von Laumlndern gegenuumlber 60 Hz in Nord- Mittel- und Teilen vonSuumldamerika Die Deutsche Bahn betreibt ein eigenes Versorgungsnetz mit einphasigerWechselspannung von 110 kV und einer Frequenz von 167 Hz Weiterhin existiert eineVielzahl lokaler Versorgungsnetze fuumlr regionale Bahnen mit unterschiedlichen FrequenzenHohe Wechselspannungen werden auch fuumlr andere Bereiche von Physik und Technikbeneurootigt hauptsaumlchlich in Geraumlten und Anlagen zur Erzeugung von Gleichspannungen durchGleichrichtung

Die Uumlbertragung elektrischer Energie uumlber Entfernungen von mehr als 700 km erfolgtvorteilhaft bei Gleichspannung da hierbei geringere Uumlbertragungsverluste als bei Wechsel-spannung auftreten und greurooszligere Leistungen uumlbertragbar sind Die Spannungen bei der

Hochspannungsgleichstromeuroubertragung (HGeuroU ) betragen in der Regel bis zu 500 kV inAsien sind sogar Anlagen mit maximal 800 kV im Betrieb oder geplant Aber auch kurzeUumlbertragungsstrecken (HGUuml-Kurzkupplungen) zur Verbindung zweier Wechselspannungs-netze mit nicht synchroner Netzfrequenz werden eingesetzt HGUuml-Anlagen findet man auchbei See- oder Erdkabeln mit einer Laumlnge von bis zumehreren 100 kmWeiterhin sei auf die inDeutschland vorgenommene Energiewende hingewiesen bei der zukuumlnftig die durch Wind-kraft im Norden gewonnene Energie uumlber Gleichstromtrassen in die suumldlichen Landesteile

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_1

1

gebracht wird Schlieszliglich werden in einer futuristisch anmutenden Planungsstudie dietechnischen wirtschaftlichen und politischen Voraussetzungen untersucht um die in derSahara in Nordafrika mit Fotovoltaik-Anlagen aufgefangene Sonnenenergie uumlber HGUuml-Trassen nach Europa zu transportieren

Hohe Gleichspannungen werden bei einer Vielzahl weiterer Anwendungen eingesetztz B in Reuroontgenanlagen Staubfilteranlagen Beschichtungs- und Lackieranlagen bei derHerstellung von Aluminium usw Mit elektrostatischen Bandgeneratoren nach van deGraaff lassen sich besonders hohe und oberschwingungsfreie Gleichspannungen von biszu 25 MV erzeugen die jedoch nur mit geringen Stromstaumlrken von einigen Milliamperebelastbar sind und daher fuumlr die elektrische Energieuumlbertragung nicht in Frage kommen Siewerden vorwiegend in Beschleunigeranlagen fuumlr kernphysikalische Grundlagenuntersu-chungen verwendet

In den Betriebsanlagen zur Uumlbertragung und Verteilung elektrischer Energie bei Hoch-

spannung keuroonnen transiente euroUberspannungen mit Scheitelwerten von weit mehr als 1 MVentstehen die damit greurooszliger als die maximalen Uumlbertragungsspannungen bei Gleich- undWechselstrom sind Ursache der Uumlberspannungen sind direkte oder indirekte Blitzeinschleuroageauf Freileitungen oder in Freiluftschaltanlagen Kurzschluumlsse oder Uumlberschlaumlge durch Ver-sagen der elektrischen Isolierung Schaltvorgaumlnge in Umspannwerken und das Ansprechenvon Uumlberspannungsableitern Die transienten Spannungen haben Anstiegszeiten vorwiegendim Bereich von Mikrosekunden bis Millisekunden Bei Uumlber- oder Durchschlaumlgen und beimAnsprechen von Uumlberspannungsableitern kann der Spannungszusammenbruch sehr schnellerfolgen mit Abfallzeiten unter 1 μs Extrem kurze Zeiten im Bereich von wenigen 100 ns bishinunter zu 1 ns treten bei Schalthandlungen und Uumlberschlaumlgen in gasisolierten Schaltanla-gen auf Auch im Niederspannungsnetz keuroonnen beim Ein- und Ausschalten elektrischerGeraumlte transiente Spannungen von mehr als 1 kV auftreten die die Geraumlte in ihrer Funkti-onsweise beeinflussen oder sogar zersteurooren keuroonnen

Die in der Energieversorgung eingesetzten Betriebsmittel sind ebenfalls hohen Gleich-und Wechselstreuroomen ausgesetzt zum Beispiel bei Kurzschluumlssen im VersorgungsnetzDabei kann es zur Uumlberlagerung einer Gleichstromkomponente kommen wodurch derKurzschlusswechselstrom kurzzeitig einen Scheitelwert von 200 kA und mehr erreichtTransiente Ausgleichsstreuroome keuroonnen durch direkte oder indirekte Einwirkung vonBlitzentladungen entstehen mit Scheitelwerten im Bereich von 100 kA und Anstiegszeitenvon 1 μs Erfolgt der Blitzeinschlag in eine Freileitung breiten sich die Stromimpulse nachbeiden Seiten der Leitung aus und verursachen an den Betriebsmitteln am Leitungsendehohe transiente Spannungen die sich der Betriebswechselspannung des Netzes uumlberlagernZum Schutz der Betriebsmittel werden daher Uumlberspannungsableiter eingesetzt BeimAnsprechen der Ableiter keuroonnen sich auch die an der Betriebswechselspannung liegendenLeitungen entladen Die Ableiter werden dadurch mit einem annaumlhernd rechteckfeuroormigenStromimpuls mit einer Zeitdauer im Bereich von 1 ms beansprucht

Auch in anderen Bereichen von Physik und Technik treten hohe impulsfeuroormige Span-nungen und Streuroome mit Anstiegszeiten im Mikro- und Nanosekundenbereich auf oder sindfuumlr bestimmte Anwendungen von Nutzen wie die folgenden Beispiele zeigen In der

2 1 Einleitung

Plasmaphysik werden damit extrem groszlige Magnetfelder zum kurzzeitigen Einschluss vonPlasmen erzeugt Bei elektrischen Punktschweiszligungen erreichen die Impulsstreuroome Schei-telwerte von bis zu 200 kA Elektronische Zuumlndsysteme fuumlr Verbrennungsmotoren erzeu-gen Impulsspannungen mit Scheitelwerten von maximal 30 kV In der Leistungselektroniktreten Impulsspannungen und -streuroome von mehreren 10 kV und bis zu 10 kA auf oderwerden zur Pruumlfung beneurootigt z B fuumlr Solarmodule Elektrizitaumltszaumlhler werden mitStoszligstreuroomen die aus einer netzfrequenten Sinushalbschwingung mit Amplituden vonmehreren Kiloampere bestehen gepruumlft In der Medizintechnik wird durch Umwandlungin akustische Stoszligwellen eine Zertruumlmmerung von Nieren- und Gallensteinen sowie vonKalkablagerungen in Gelenken erzielt Die Wirkung von Elektroimpulswaffen beruht aufSpannungsimpulsen die das Nervensystem des Getroffenen fuumlr eine begrenzte Zeit laumlh-men Schlieszliglich sei auf die vielfaumlltigen Anwendungen bei Untersuchungen zur elektro-magnetischen Vertraumlglichkeit von elektronischen Geraumlten bis hin zu sehr komplexenSystemen wie sie z B Flugzeuge darstellen verwiesen

Die Isolierung der Betriebsmittel wird durch die im Betrieb auftretenden Spannungenund Streuroome einer starken Beanspruchung unterzogen die die Lebensdauer beeinflusst DieKenntnis uumlber die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der verwendeten festenfluumlssigen und gasfeuroormigen Isolierstoffe ist daher ein wichtiger Teil der Hochspannungs-technik Wenn bei der Herstellung eines Betriebsmittels Fehler in der Isolierung auftretenz B bedingt durch Gaseinschluumlsse keuroonnen oberhalb einer bestimmten EinsetzspannungTeilentladungen entstehen Bei laumlngerer Einwirkung der Teilentladungen auf die umge-bende Isolierung kann es zu einer allmaumlhlichen Schaumldigung und schlieszliglich zum vollstaumln-digen Ausfall des Betriebsmittels kommen

Die Zuverlaumlssigkeit der elektrischen Energieversorgung ist eine wichtige Voraussetzungfuumlr eine florierende Wirtschaft in jedem Land und fuumlr das Wohlergehen der BeveuroolkerungJedes Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung wird daher vor seinem Einsatzeiner Reihe von Abnahmepruumlfungen unterzogen Damit werden im Pruumlflabor gegebenen-falls auch als Vor-Ort-Preuroufung am Einsatzort des Betriebsmittels die elektrischen mecha-nischen und thermischen Beanspruchungen nachgebildet die im praktischen Einsatz desBetriebsmittels auftreten keuroonnen Hierzu geheurooren zum einen Pruumlfungen mit der demNetzbetrieb entsprechenden Spannungs- oder Stromart zum anderen Pruumlfungen mit im-pulsfeuroormigen Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroomen Letztere werden im deutschsprachigenRaum als Stoszligspannungen bzw Stoszligstreuroome bezeichnet die den im Betrieb auftretendentransienten Spannungen und Streuroomen entsprechen Die Heuroohe der international genormtenPruumlfspannungen richtet sich nach der Bemessungsspannung der Betriebsmittel Mit sehrsteil ansteigenden Stoszligspannungen lassen sich zwischen platten- oder streifenfeuroormigenElektrodenanordnungen elektromagnetische Felder zur Vertraumlglichkeitspruumlfung elektroni-scher Geraumlte und Systeme erzeugen Auch die Wirkung des bei einer Nuklearexplosion ingroszliger Heuroohe ausgeleuroosten elektromagnetischen Impulses kann auf diese Weise simuliertwerden

Zusaumltzlich zu den Spannungspruumlfungen werden Betriebsmittel einer Teilentladungspruuml-fung im Pruumlflabor unterzogen Zwar ist das Phaumlnomen der Teilentladungen sehr vielschichtig

Einleitung 3

und noch nicht restlos geklaumlrt jedoch weiszlig man auf Grund jahrzehntelanger Erfahrungdass bei Uumlberschreiten einer fuumlr jedes Betriebsmittel individuellen Teilentladungsstaumlrkedie Gefahr einer langfristigen Schaumldigung der Isolierung besteht und das Betriebsmittelvorzeitig ausfaumlllt Zunehmend findet daher ein Online-Monitoring zur permanenten Uumlber-wachung der Teilentladungen statt um rechtzeitig einen meurooglichen Ausfall des Betriebs-mittels zu erkennen Weiterhin werden die elektrischen und dielektrischen Eigenschaftender Hochspannungsisolierung uumlberpruumlft Hierzu geheurooren Messgreurooszligen wie Isolationswider-stand Leitfaumlhigkeit Kapazitaumlt und Verlustfaktor des Pruumlflings

Bei allen Pruumlfungen ist eine fundierte Messtechnik erforderlich sei es weil eine Uumlber-oder Unterbeanspruchung des Betriebsmittels oder Pruumlflings vermieden werden soll oderweil die Qualitaumlt einer Anwendung z B bei einer medizinischen Behandlung oder beimelektrischen Punktschweiszligen gewaumlhrleistet sein muss Die Messung hoher Spannungenund Streuroome von Teilentladungen und dielektrischen Eigenschaften der Isolierstoffe weisteine lange Tradition auf wobei zwei entscheidende Veraumlnderungen eingetreten sind Dieseit Jahrzehnten eingesetzten mechanischen Messgeraumlte und angewandten Messverfahrenwurden schon vor einiger Zeit durch die Verfuumlgbarkeit elektronischer Messgeraumlte weitge-hend abgeleuroost Die Einfuumlhrung der digitalen Messtechnik mit numerischer Datenverarbei-tung stellt eine weitere entscheidende Zaumlsur dar und bedeutet das Ende fuumlr die meistenanalogen Messschaltungen und Messgeraumlte

Die bei Pruumlfungen eingesetzten Messmittel muumlssen hinsichtlich ihrer Messrichtigkeituumlberpruumlft sein In diesem Zusammenhang stehen Begriffe und Inhalte wie Qualitaumltssiche-rung Kalibrierung Ruumlckfuumlhrung der Messungen auf die SI-Einheiten Messunsicherheitinternational anerkannte Pruumlfvorschriften akkreditierte Pruumlf- und Kalibrierlaboratorien

Die Hochspannungs- und Energietechnik wird in der Fachliteratur ausgiebig behandeltvor allem in den aktuellen Konferenzbaumlnden nationaler und internationaler Vortragsveran-staltungen z B bdquoInternational Symposium on High Voltage Engineeringldquo (ISH) Zusam-menfassende Darstellungen finden sich in einer Reihe von Fachbuumlchern in denen dieentsprechende Messtechnik allerdings nur kurz dargestellt wird [1ndash5] Zu einzelnen The-men kann der findige Leser uumlber die bekannten Suchmaschinen auch im Internet mehr oderweniger detaillierte Informationen erhalten Die Fachbuumlcher [6ndash8] die sich speziell mit derHochspannungsmesstechnik oder mit Teilgebieten befassen sind bereits mehrere Jahr-zehnte alt oder nur als unveraumlnderter Nachdruck aumllterer Ausgaben vorhanden

Ein Teilgebiet der Hochspannungsmesstechnik die Messung von Stoszligspannungen undStoszligstreuroomen wird unter Einbeziehung der aktuellen IEC-Pruumlfbestimmungen Kalibrier-verfahren und Unsicherheitsberechnung in dem 2010 herausgegebenen Fachbuch [9]behandelt das 2013 auch in englischer Sprache erschien Das vorliegende Fachbuch stellteine Uumlberarbeitung und Erweiterung des Inhalts dieses Buches dar Es umfasst nun dieMesstechnik fuumlr Gleich- Wechsel- Stoszligspannungen und die entsprechenden StreuroomeTeilentladungen sowie elektrische und dielektrische Messgreurooszligen bei Hochspannung

4 1 Einleitung

Das Buch ist aus der Absicht entstanden die alten aber heute noch guumlltigen Grundlagen derHochspannungsmesstechnik mit den neueren Entwicklungen zu ergaumlnzen die sich alsKonsequenz der verbesserten geraumltetechnischen Ausstattung Einfuumlhrung der analog-digi-talen Datenumwandlung numerischen Datenverarbeitung und den geaumlnderten Pruumlfnormenergeben haben

Literatur

1 Beyer M Boeck W Meurooller K Zaengl W Hochspannungstechnik Theoretische und prakti-sche Grundlagen fuumlr die Anwendung Springer BerlinHeidelbergNew York (1986)

2 Kind D Feser K Hochspannungsversuchstechnik 5 Aufl Friedr Vieweg amp Sohn Braun-schweigWiesbaden (1995) Englische Ausgabe Kind D Feser K High-Voltage Test Techni-ques 2 Aufl Butterworth Heinemann Oxford (2001)

3 Kuumlchler A Hochspannungstechnik Grundlagen ndash Technologie ndashAnwendungen Bd 3 Springer-Verlag BerlinHeidelberg (2009) Englische Ausgabe Kuumlchler A High Voltage EngineeringFundamentals ndash Technology ndash Applications Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York(2013)

4 Kuffel E Zaengl WS Kuffel J High Voltage Engineering ndash Fundamentals 2 Aufl ElsevierNewness Oxford (2000)

5 Hauschild W Lemke E High-Voltage Test and Measuring Techniques Springer HeidelbergNew YorkDordrechtLondon (2013)

6 Schwab AJ Hochspannungsmesstechnik Messgeraumlte und Messverfahren Bd 2 2 Aufl SpringerBerlinHeidelbergNew York (1981) Englische Ausgabe Schwab AJ High-Voltage MeasurementTechniques MIT Press (1972)

7 Asner AM Stoszligspannungs-Meszligtechnik Springer BerlinHeidelbergNew York (1974)8 Hylteacuten-Cavallius N The measurement of high impulse voltages and currents In Claudi A

Bergman A Berlijn S Haumlllstreuroom J (Hrsg) A Review of Seven Decades of Development SPBoras (2004)

9 Schon K Stoszligspannungs- und Stoszligstrommesstechnik Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2010) Englische Ausgabe Schon K High Impulse Voltage and Current MeasurementTechniques Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2013)

Literatur 5

Hohe Wechselspannungen und -stroumlme 2

Die Uumlbertragung elektrischer Energie erfolgt uumlberwiegend mit hohen Wechselspannungenso dass dieser Spannungsart ndash und damit auch den Wechselstreuroomen ndash besondere Bedeutungzukommt Jedes Betriebsmittel fuumlr die elektrische Energieversorgung wird vor demEinsatz auf seine Zuverlaumlssigkeit gepruumlft wobei die Pruumlf- und Messverfahren sowieAnforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome in nationalen und internationalenPruumlfvorschriften festgelegt sind HoheWechselspannungen sind auch deshalb wichtig weilsie zur Erzeugung von Gleich- und Stoszligspannungen sowie fuumlr zahlreiche Anwendungen inPhysik und Technik beneurootigt werden Das Kapitel stellt die genormten Messgreurooszligen undMessverfahren vor geht kurz auf die hauptsaumlchlich verwendeten Spannungs- und Strom-erzeuger ein und befasst sich ausfuumlhrlich mit den Messsystemen und Messgeraumlten dieinzwischen weitgehend in digitaler Ausfuumlhrung mit rechnergestuumltzter Datenverarbeitungeingesetzt werden

21 Wechselspannungen

Die Pruumlf- und Messverfahren fuumlr Betriebsmittel der elektrischen Energieuumlbertragung ein-schlieszliglich der Anforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome sind in nationalenund internationalen Pruumlfvorschriften festgelegt [1ndash5] Hohe Wechselspannungen habenauch deshalb eine besondere Bedeutung da sie die Grundlage zur Erzeugung von Gleich-und Stoszligspannungen darstellen Alle Spannungsformen werden auszliger in der Energiever-sorgung auch fuumlr zahlreiche Aufgaben in Physik und Technik eingesetzt Fuumlr die imNiederspannungsbereich verwendeten Geraumlte mit Bemessungsspannungen von nicht mehrals 1 kV gelten besondere von den Hochspannungspruumlfvorschriften sinngemaumlszlig abgeleitetePruumlfvorschriften [6]

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_2

7

Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

ffiffiffi2

p eth22THORN

Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

u2dt

vuuut eth23THORN

mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

ucirc-

0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth24THORN

der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

i( t)

icirc

ts0

1

ab

2

t

i(t)icirc

0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

412 Schaltstoszligspannungen 894121 Bestimmung der Scheitelzeit 90

413 Schwingende Stoszligspannungen bei Vor-Ort-Preuroufungen 92414 Steilstoszligspannung 92

42 Erzeugung von Stoszligspannungen 94421 Generatoren feurour Blitz- und Schaltstoszligspannungen 94

4211 Vervielfachungsschaltung 964212 Betrieb des Stoszligspannungsgenerators 964213 Uumlberschwingen der erzeugten

Stoszligspannung 994214 Reurouckenhalbwertszeit bei kleiner induktiver

Last 101422 Erzeugung von schwingenden Stoszligspannungen 101423 Erzeugung von abgeschnittenen Stoszligspannungen 102424 Erzeugung von Steilstoszligspannungen 103

43 Messung von Stoszligspannungen 104431 Messsysteme mit Stoszligspannungsteiler 105

4311 Grundsaumltzliche Anordnung des Preurouf- undMesskreises 105

4312 Komponenten einesStoszligspannungsmesssystems 106

4313 Maszligstabsfaktor 1104314 Streukapazitaumlt zur Erde 1114315 Allgemeine Betrachtung zum

Uumlbertragungsverhalten 1124316 Kettenleiterersatzschaltbild und

Sprungantwort 1144317 Einwirkung von Steuroorungen und

Gegenmaszlignahmen 116432 Messsysteme mit ohmschem Stoszligspannungsteiler 118

4321 Grundsaumltzlicher Aufbau des Messsystems 1184322 Sprungantwort des ohmschen Spannungsteilers

als Kettenleiter 1214323 Einfaches Ersatzschaltbild mit konzentrierten

Elementen 1234324 Feldkonformer Widerstandsteiler 1244325 Optimierter Messabgriff 1254326 Kapazitive Signaleinkopplung in den

Niederspannungsteil 1274327 Spannungsteiler mit waumlssriger Leuroosung 127

Inhaltsverzeichnis xiii

433 Kapazitiver Stoszligspannungsteiler 1284331 Aufbau des Messsystems mit kapazitivem

Spannungsteiler 1284332 Schaltung auf der Niederspannungsseite 1294333 Burch-Abschluss bei langem Messkabel 1304334 Einfache Ersatzschaltbilder mit Erdkapazitaumlt 1304335 Varianten des kapazitiven

Stoszligspannungsteilers 131434 Gedaumlmpft kapazitiver Stoszligspannungsteiler 133

4341 Aufbau des Messsystems mit gedaumlmpftkapazitivem Spannungsteiler 133

4342 Kettenleiterersatzschaltbild undSprungantwort 135

4343 Messkabel und Burch-Abschluss 1374344 Optimierung des Niederspannungsteils 1374345 Optimal und schwach gedaumlmpfte kapazitive

Stoszligspannungsteiler 1384346 Beispiele feurour Referenzteiler 139

435 Ohmsch-kapazitiv gemischter Spannungsteiler 144436 Kugelfunkenstrecke feurour Stoszligspannungsmessungen 146437 Kapazitive Feldsensoren 148

4371 Messprinzip und Ersatzschaltbild 1484372 Feldsensor feurour den Linearitaumltsnachweis von

Spannungsteilern 1504373 Dreidimensionaler Feldsensor 151

Literatur 153

5 Stoszligstreuroome 15951 Definitionen und Parameter von Stoszligstreuroomen 160

511 Exponentielle Stoszligstreuroome 160512 Rechteckstoszligstrom 162

52 Erzeugung von Stoszligstreuroomen 162521 Generatorschaltung feurour exponentielle Stoszligstreuroome 162

5211 Einfluss des Preurouflings auf den Zeitverlauf 1655212 Crowbar-Technik 166

522 Generatorschaltung feurour Rechteckstoszligstreuroome 16753 Messung von Stoszligstreuroomen 168

531 Messsystem mit niederohmigem Messwiderstand 1695311 Erdschleifen und Kopplungsimpedanz 1695312 Leiterwiderstand eines Messkabels 1725313 Induktivitaumlten eines niederohmigen

Widerstandes 173

xiv Inhaltsverzeichnis

5314 Aufbau koaxialer Messwiderstaumlnde 1765315 Stromverdraumlngung (Skineffekt) 1785316 Kettenleiterersatzschaltbild 1815317 Experimentelle Sprungantwort von

Messwiderstaumlnden 1825318 Besondere Bauformen 1845319 Grenzlastintegral 186

532 Messsysteme mit Strommessspule 1885321 Durchflutungs- und Induktionsgesetz 1885322 Integrationsverfahren 1915323 Sprungantwort von Messspulen 1925324 Potenzialfreie Messdateneuroubertragung 1935325 Rogowski-Spulen 1935326 Strommessspulen mit Magnetkern 1995327 Magnetfeldsensor 200

Literatur 203

6 Elektro- und magnetooptische Sensoren 20561 Elektrooptische Effekte 205

611 Pockels-Effekt 2066111 Pockels-Sensoren feurour Feldmessungen 2086112 Pockels-Sensoren feurour

Spannungsmessungen 2126113 Inverser piezoelektrischer Effekt 2146114 Elektrooptische Spannungswandler 215

612 Elektrooptischer Kerr-Effekt 21662 Faraday-Effekt 219

621 Magnetooptische Stromsensoren 220622 Magnetooptische Stromwandler 223

Literatur 223

7 Digitalrecorder Software und Kalibratoren 22771 Aufbau und Eigenschaften von Digitalrecordern 227

711 AD-Wandlung mit Flash-Konverter 228712 Charakteristische Daten des Digitalrecorders 230713 Weitere Eigenschaften des Digitalrecorders 232

72 Fehlerquellen der digitalen Messtechnik 234721 Ideale Quantisierung 235722 Statische differenzielle und integrale Nichtlinearitaumlten 237723 Differenzielle Nichtlinearitaumlt und Haumlufigkeitsverteilung

bei dynamischer Beanspruchung 239724 Diskrete Abtastfehler bei Sinusspannungen 241

Inhaltsverzeichnis xv

725 Effektive Bitzahl 242726 Signalsteilheit und Abtastfehler 244727 Rauschen und Jitter des AD-Wandlers 245728 Sprungantwort des Digitalrecorders 246729 Elektromagnetische Steuroorbeeinflussung 248

73 Software zur Datenauswertung 249731 Preuroufung der Auswertesoftware mit dem TDG 250

74 Kalibriergeneratoren 25175 Anforderungen an Messgeraumlte Software und Kalibratoren 253Literatur 256

8 Darstellung von Impulsen im Zeit- und Frequenzbereich 25981 Analytische Darstellung von Stoszligspannungen 259

811 Mathematischer und virtueller Nullpunkt 263812 Varianten der Stoszligspannung 264813 Parameter von Stoszligspannungen 265814 Spektrum von Stoszligspannungen 266

82 Analytische Darstellung von Stoszligstreuroomen 269821 Bestimmung der Schaltkreiselemente 272822 Spektrum von exponentiellen Stoszligstreuroomen 273

83 Analytische Darstellung von Kurzzeitwechselstreuroomen 273

9 Uumlbertragungsverhalten linearer Systeme Faltung und Entfaltung 27591 Sprungantwort eines Systems 27692 Faltungsintegral und Faltungsalgorithmus 27793 Fourier-Transformation und Uumlbertragungsfunktion 27994 Laplace-Transformation 28295 Eigenschaften von RC- und RLC-Gliedern 284

951 Sprungantwort eines Tiefpasses 284952 Sprungantwort eines Schwingkreises 285953 Uumlbertragungsfunktion von Tiefpass und Schwingkreis 287

96 Antwortzeit Anstiegszeit und Bandbreite 28897 Beispiele feurour die Faltung 291

971 Keilstoszligspannung auf RC-Glied 291972 Keilstoszligspannung auf RLC-Glied 294973 Stoszligspannung auf RC-Glied 295974 Antwortfehler und Fehlerdiagramm 296

98 Experimentelle Sprungantwort 300981 Auswertung der experimentellen Sprungantwort 301982 Antwortparameter der Sprungantwort 301983 Messschaltungen feurour die Sprungantwort 304984 Erzeugung von Sprungspannungen 306

xvi Inhaltsverzeichnis

99 Ergaumlnzende Betrachtungen zum Uumlbertragungsverhalten 310Literatur 313

10 Kalibrierung der Messsysteme 317101 Normung Akkreditierung und Reurouckfeurouhrung 317102 Kalibrierung im Allgemeinen 320103 Kalibrierung von Spannungsmesssystemen 321

1031 Vergleichsmessung mit Referenzsystem 3211032 Besonderheiten bei der Vergleichsmessung 3231033 Kalibrierung eines einzelnen Spannungsteilers 3241034 Festgesetzter Maszligstabsfaktor 325

10341 Vergleich eurouber den gesamten Spannungsbereich(Referenzverfahren) 326

10342 Vergleichsmessung eurouber einen begrenztenSpannungsbereich 327

10343 Kalibrierung der Komponenten(Alternativverfahren) 328

1035 Linearitaumltspreuroufung 3291036 Zeitparameter einer Stoszligspannung 3291037 Dynamisches Verhalten 3301038 Anforderungen an die Sprungantwort 3311039 Fehlerdiagramm feurour Scheitelwert und Zeitparameter 33310310 Einfluss benachbarter Objekte (Naumlheeffekt) 33510311 Kurz- und Langzeitverhalten 336

104 Kalibrierung von Strommesssystemen 3381041 Vergleichsmessung mit Referenzsystem bei Stoszligstrom 3381042 Linearitaumltspreuroufung 3401043 Alternativverfahren feurour Strommesssysteme 3401044 Dynamisches Verhalten 341

105 Kalibrierung von Digitalrecordern 3411051 Kalibrierung mit Exponentialimpulsen 3421052 Kalibrierung mit Sprungspannungen 3421053 Kalibrierung mit Sinusspannungen 343

Literatur 344

11 Kapazitaumlt und Verlustfaktor 347111 Grundlagen 347

1111 Verlustfaktor im Zeigerdiagramm 3481112 Ersatzschaltbilder feurour verlustbehaftetes Dielektrikum 350

112 Messverfahren feurour feste und fleuroussige Dielektrika 351

Inhaltsverzeichnis xvii

113 Messgeraumlte feurour C und tanδ 3521131 Schering-Messbreuroucke 3531132 Schering-Messbreuroucke mit Wagnerschem Hilfszweig 3551133 Messbreuroucke mit Stromkomparator 3571134 C-tanδ-Messgeraumlt mit digitaler Datenerfassung 358

114 Kalibrierung und Reurouckfeurouhrung 3591141 Kalibrierung von C-tanδ-Messgeraumlten 3601142 Verlustfaktornormale 3621143 Kryo-Verlustfaktornormal 364

115 Druckgaskondensatoren 3651151 Konstruktionen 3651152 Einfluss des Gasdrucks 3661153 Temperaturabhaumlngigkeit 3671154 Exzentrizitaumlt und Kapazitaumlt 3681155 Spannungsabhaumlngigkeit der Kapazitaumlt 3701156 Mechanische Eigenschwingung und

Resonanzfrequenz 37311561 Mechanische Eigenschwingung 37311562 Elektrische Resonanz 376

Literatur 377

12 Grundlagen der Teilentladungsmesstechnik 381121 Innere Teilentladungen bei Wechselspannung 382122 Eigenschaften von TE-Impulsen 385123 Scheinbare Ladung 388124 Abgeleitete TE-Messgreurooszligen 388125 TE-Messgeraumlte feurour die scheinbare Ladung 389

1251 Quasi-Integration durch Bandbegrenzung 39012511 Breitband-Messgeraumlt 39112512 Schmalband-Messgeraumlt 39312513 Funksteuroormessgeraumlt 394

1252 Integration der TE-Impulse im Zeitbereich 39412521 Elektronische Integrierschaltung 39512522 Digitale Messdatenerfassung numerische

Integration 3961253 Festlegung der Anzeige als Funktion f(N) 398

126 TE-Preuroufschaltungen nach IEC 60270 399127 Kalibrieren der Preurouf- und Messkreise nach IEC 60270 402

1271 Kalibrierimpulse 4021272 Kalibrieren des vollstaumlndigen Preurouf- und Messkreises 4061273 Genauigkeitsanforderungen 407

xviii Inhaltsverzeichnis

128 Visualisierung von TE-Impulsen 4081281 Phasenabhaumlngiges TE-Muster 4081282 Synchrone Mehrkanalmessung 409

129 Besondere Mess- und Nachweisverfahren 4131291 VHF- und UHF-Messverfahren 413

12911 UHF-Messverfahren feurour GIS 41412912 UHF-Messverfahren feurour Transformatoren 41612913 TE-Messsonde feurour schnelle Vor-Ort-Messung 417

1292 TE-Messverfahren feurour Kabel und Muffen 4191293 Akustische TE-Ortung 4231294 Optische TE-Messverfahren 4261295 Chemische Nachweisverfahren 428

1210 Teilentladungen bei Gleichspannung 4291211 Teilentladungen bei Stoszligspannung 431Literatur 433

13 Bestimmung von Messunsicherheiten 441131 Der GUM 441

1311 Grundkonzept des GUM 4421312 Modellfunktion einer Messung 4431313 Ermittlungsmethode vom Typ A 4451314 Ermittlungsmethode vom Typ B 4461315 Beigeordnete Standardmessunsicherheit 4491316 Erweiterte Messunsicherheit 4511317 Effektiver Freiheitsgrad 4521318 Messunsicherheitsbudget 4531319 Angabe des vollstaumlndigen Messergebnisses 453

132 Abschlieszligende Bemerkungen 453Literatur 455

Anhang A Fourier- und Laplace-Transformation 457

Anhang B Beispiele zur Bestimmung von Messunsicherheiten 463

Sachverzeichnis 473

Inhaltsverzeichnis xix

Einleitung 1

Die Uumlbertragung elektrischer Energie vom Erzeuger zu den Ballungszentren erfolgt vor-wiegend uumlber Freileitungen auf hohem Potential um die Leitungsstreuroome und Uumlber-tragungsverluste gering zu halten In den Ballungszentren selbst wird die Energieweiter verteilt uumlber erdverlegte Hochspannungskabel oder gasisolierte Schaltanlagen(GIS) und Leitungen (GIL) Weltweit uumlblich ist die Energieuumlbertragung mit dreiphasigenWechselspannungen die sich mit Leistungstransformatoren auf die gewuumlnschten Span-nungsebenen hinauf und herunter transformieren lassen Die heuroochsten Spannungsebenenfuumlr die Energieuumlbertragung sind 400 kV in Europa 750 kV in Nordamerika und 1000 kV inAsien Die Frequenz der annaumlhend sinusfeuroormigenWechselspannung betraumlgt 50 Hz in Europaund einer Vielzahl von Laumlndern gegenuumlber 60 Hz in Nord- Mittel- und Teilen vonSuumldamerika Die Deutsche Bahn betreibt ein eigenes Versorgungsnetz mit einphasigerWechselspannung von 110 kV und einer Frequenz von 167 Hz Weiterhin existiert eineVielzahl lokaler Versorgungsnetze fuumlr regionale Bahnen mit unterschiedlichen FrequenzenHohe Wechselspannungen werden auch fuumlr andere Bereiche von Physik und Technikbeneurootigt hauptsaumlchlich in Geraumlten und Anlagen zur Erzeugung von Gleichspannungen durchGleichrichtung

Die Uumlbertragung elektrischer Energie uumlber Entfernungen von mehr als 700 km erfolgtvorteilhaft bei Gleichspannung da hierbei geringere Uumlbertragungsverluste als bei Wechsel-spannung auftreten und greurooszligere Leistungen uumlbertragbar sind Die Spannungen bei der

Hochspannungsgleichstromeuroubertragung (HGeuroU ) betragen in der Regel bis zu 500 kV inAsien sind sogar Anlagen mit maximal 800 kV im Betrieb oder geplant Aber auch kurzeUumlbertragungsstrecken (HGUuml-Kurzkupplungen) zur Verbindung zweier Wechselspannungs-netze mit nicht synchroner Netzfrequenz werden eingesetzt HGUuml-Anlagen findet man auchbei See- oder Erdkabeln mit einer Laumlnge von bis zumehreren 100 kmWeiterhin sei auf die inDeutschland vorgenommene Energiewende hingewiesen bei der zukuumlnftig die durch Wind-kraft im Norden gewonnene Energie uumlber Gleichstromtrassen in die suumldlichen Landesteile

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_1

1

gebracht wird Schlieszliglich werden in einer futuristisch anmutenden Planungsstudie dietechnischen wirtschaftlichen und politischen Voraussetzungen untersucht um die in derSahara in Nordafrika mit Fotovoltaik-Anlagen aufgefangene Sonnenenergie uumlber HGUuml-Trassen nach Europa zu transportieren

Hohe Gleichspannungen werden bei einer Vielzahl weiterer Anwendungen eingesetztz B in Reuroontgenanlagen Staubfilteranlagen Beschichtungs- und Lackieranlagen bei derHerstellung von Aluminium usw Mit elektrostatischen Bandgeneratoren nach van deGraaff lassen sich besonders hohe und oberschwingungsfreie Gleichspannungen von biszu 25 MV erzeugen die jedoch nur mit geringen Stromstaumlrken von einigen Milliamperebelastbar sind und daher fuumlr die elektrische Energieuumlbertragung nicht in Frage kommen Siewerden vorwiegend in Beschleunigeranlagen fuumlr kernphysikalische Grundlagenuntersu-chungen verwendet

In den Betriebsanlagen zur Uumlbertragung und Verteilung elektrischer Energie bei Hoch-

spannung keuroonnen transiente euroUberspannungen mit Scheitelwerten von weit mehr als 1 MVentstehen die damit greurooszliger als die maximalen Uumlbertragungsspannungen bei Gleich- undWechselstrom sind Ursache der Uumlberspannungen sind direkte oder indirekte Blitzeinschleuroageauf Freileitungen oder in Freiluftschaltanlagen Kurzschluumlsse oder Uumlberschlaumlge durch Ver-sagen der elektrischen Isolierung Schaltvorgaumlnge in Umspannwerken und das Ansprechenvon Uumlberspannungsableitern Die transienten Spannungen haben Anstiegszeiten vorwiegendim Bereich von Mikrosekunden bis Millisekunden Bei Uumlber- oder Durchschlaumlgen und beimAnsprechen von Uumlberspannungsableitern kann der Spannungszusammenbruch sehr schnellerfolgen mit Abfallzeiten unter 1 μs Extrem kurze Zeiten im Bereich von wenigen 100 ns bishinunter zu 1 ns treten bei Schalthandlungen und Uumlberschlaumlgen in gasisolierten Schaltanla-gen auf Auch im Niederspannungsnetz keuroonnen beim Ein- und Ausschalten elektrischerGeraumlte transiente Spannungen von mehr als 1 kV auftreten die die Geraumlte in ihrer Funkti-onsweise beeinflussen oder sogar zersteurooren keuroonnen

Die in der Energieversorgung eingesetzten Betriebsmittel sind ebenfalls hohen Gleich-und Wechselstreuroomen ausgesetzt zum Beispiel bei Kurzschluumlssen im VersorgungsnetzDabei kann es zur Uumlberlagerung einer Gleichstromkomponente kommen wodurch derKurzschlusswechselstrom kurzzeitig einen Scheitelwert von 200 kA und mehr erreichtTransiente Ausgleichsstreuroome keuroonnen durch direkte oder indirekte Einwirkung vonBlitzentladungen entstehen mit Scheitelwerten im Bereich von 100 kA und Anstiegszeitenvon 1 μs Erfolgt der Blitzeinschlag in eine Freileitung breiten sich die Stromimpulse nachbeiden Seiten der Leitung aus und verursachen an den Betriebsmitteln am Leitungsendehohe transiente Spannungen die sich der Betriebswechselspannung des Netzes uumlberlagernZum Schutz der Betriebsmittel werden daher Uumlberspannungsableiter eingesetzt BeimAnsprechen der Ableiter keuroonnen sich auch die an der Betriebswechselspannung liegendenLeitungen entladen Die Ableiter werden dadurch mit einem annaumlhernd rechteckfeuroormigenStromimpuls mit einer Zeitdauer im Bereich von 1 ms beansprucht

Auch in anderen Bereichen von Physik und Technik treten hohe impulsfeuroormige Span-nungen und Streuroome mit Anstiegszeiten im Mikro- und Nanosekundenbereich auf oder sindfuumlr bestimmte Anwendungen von Nutzen wie die folgenden Beispiele zeigen In der

2 1 Einleitung

Plasmaphysik werden damit extrem groszlige Magnetfelder zum kurzzeitigen Einschluss vonPlasmen erzeugt Bei elektrischen Punktschweiszligungen erreichen die Impulsstreuroome Schei-telwerte von bis zu 200 kA Elektronische Zuumlndsysteme fuumlr Verbrennungsmotoren erzeu-gen Impulsspannungen mit Scheitelwerten von maximal 30 kV In der Leistungselektroniktreten Impulsspannungen und -streuroome von mehreren 10 kV und bis zu 10 kA auf oderwerden zur Pruumlfung beneurootigt z B fuumlr Solarmodule Elektrizitaumltszaumlhler werden mitStoszligstreuroomen die aus einer netzfrequenten Sinushalbschwingung mit Amplituden vonmehreren Kiloampere bestehen gepruumlft In der Medizintechnik wird durch Umwandlungin akustische Stoszligwellen eine Zertruumlmmerung von Nieren- und Gallensteinen sowie vonKalkablagerungen in Gelenken erzielt Die Wirkung von Elektroimpulswaffen beruht aufSpannungsimpulsen die das Nervensystem des Getroffenen fuumlr eine begrenzte Zeit laumlh-men Schlieszliglich sei auf die vielfaumlltigen Anwendungen bei Untersuchungen zur elektro-magnetischen Vertraumlglichkeit von elektronischen Geraumlten bis hin zu sehr komplexenSystemen wie sie z B Flugzeuge darstellen verwiesen

Die Isolierung der Betriebsmittel wird durch die im Betrieb auftretenden Spannungenund Streuroome einer starken Beanspruchung unterzogen die die Lebensdauer beeinflusst DieKenntnis uumlber die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der verwendeten festenfluumlssigen und gasfeuroormigen Isolierstoffe ist daher ein wichtiger Teil der Hochspannungs-technik Wenn bei der Herstellung eines Betriebsmittels Fehler in der Isolierung auftretenz B bedingt durch Gaseinschluumlsse keuroonnen oberhalb einer bestimmten EinsetzspannungTeilentladungen entstehen Bei laumlngerer Einwirkung der Teilentladungen auf die umge-bende Isolierung kann es zu einer allmaumlhlichen Schaumldigung und schlieszliglich zum vollstaumln-digen Ausfall des Betriebsmittels kommen

Die Zuverlaumlssigkeit der elektrischen Energieversorgung ist eine wichtige Voraussetzungfuumlr eine florierende Wirtschaft in jedem Land und fuumlr das Wohlergehen der BeveuroolkerungJedes Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung wird daher vor seinem Einsatzeiner Reihe von Abnahmepruumlfungen unterzogen Damit werden im Pruumlflabor gegebenen-falls auch als Vor-Ort-Preuroufung am Einsatzort des Betriebsmittels die elektrischen mecha-nischen und thermischen Beanspruchungen nachgebildet die im praktischen Einsatz desBetriebsmittels auftreten keuroonnen Hierzu geheurooren zum einen Pruumlfungen mit der demNetzbetrieb entsprechenden Spannungs- oder Stromart zum anderen Pruumlfungen mit im-pulsfeuroormigen Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroomen Letztere werden im deutschsprachigenRaum als Stoszligspannungen bzw Stoszligstreuroome bezeichnet die den im Betrieb auftretendentransienten Spannungen und Streuroomen entsprechen Die Heuroohe der international genormtenPruumlfspannungen richtet sich nach der Bemessungsspannung der Betriebsmittel Mit sehrsteil ansteigenden Stoszligspannungen lassen sich zwischen platten- oder streifenfeuroormigenElektrodenanordnungen elektromagnetische Felder zur Vertraumlglichkeitspruumlfung elektroni-scher Geraumlte und Systeme erzeugen Auch die Wirkung des bei einer Nuklearexplosion ingroszliger Heuroohe ausgeleuroosten elektromagnetischen Impulses kann auf diese Weise simuliertwerden

Zusaumltzlich zu den Spannungspruumlfungen werden Betriebsmittel einer Teilentladungspruuml-fung im Pruumlflabor unterzogen Zwar ist das Phaumlnomen der Teilentladungen sehr vielschichtig

Einleitung 3

und noch nicht restlos geklaumlrt jedoch weiszlig man auf Grund jahrzehntelanger Erfahrungdass bei Uumlberschreiten einer fuumlr jedes Betriebsmittel individuellen Teilentladungsstaumlrkedie Gefahr einer langfristigen Schaumldigung der Isolierung besteht und das Betriebsmittelvorzeitig ausfaumlllt Zunehmend findet daher ein Online-Monitoring zur permanenten Uumlber-wachung der Teilentladungen statt um rechtzeitig einen meurooglichen Ausfall des Betriebs-mittels zu erkennen Weiterhin werden die elektrischen und dielektrischen Eigenschaftender Hochspannungsisolierung uumlberpruumlft Hierzu geheurooren Messgreurooszligen wie Isolationswider-stand Leitfaumlhigkeit Kapazitaumlt und Verlustfaktor des Pruumlflings

Bei allen Pruumlfungen ist eine fundierte Messtechnik erforderlich sei es weil eine Uumlber-oder Unterbeanspruchung des Betriebsmittels oder Pruumlflings vermieden werden soll oderweil die Qualitaumlt einer Anwendung z B bei einer medizinischen Behandlung oder beimelektrischen Punktschweiszligen gewaumlhrleistet sein muss Die Messung hoher Spannungenund Streuroome von Teilentladungen und dielektrischen Eigenschaften der Isolierstoffe weisteine lange Tradition auf wobei zwei entscheidende Veraumlnderungen eingetreten sind Dieseit Jahrzehnten eingesetzten mechanischen Messgeraumlte und angewandten Messverfahrenwurden schon vor einiger Zeit durch die Verfuumlgbarkeit elektronischer Messgeraumlte weitge-hend abgeleuroost Die Einfuumlhrung der digitalen Messtechnik mit numerischer Datenverarbei-tung stellt eine weitere entscheidende Zaumlsur dar und bedeutet das Ende fuumlr die meistenanalogen Messschaltungen und Messgeraumlte

Die bei Pruumlfungen eingesetzten Messmittel muumlssen hinsichtlich ihrer Messrichtigkeituumlberpruumlft sein In diesem Zusammenhang stehen Begriffe und Inhalte wie Qualitaumltssiche-rung Kalibrierung Ruumlckfuumlhrung der Messungen auf die SI-Einheiten Messunsicherheitinternational anerkannte Pruumlfvorschriften akkreditierte Pruumlf- und Kalibrierlaboratorien

Die Hochspannungs- und Energietechnik wird in der Fachliteratur ausgiebig behandeltvor allem in den aktuellen Konferenzbaumlnden nationaler und internationaler Vortragsveran-staltungen z B bdquoInternational Symposium on High Voltage Engineeringldquo (ISH) Zusam-menfassende Darstellungen finden sich in einer Reihe von Fachbuumlchern in denen dieentsprechende Messtechnik allerdings nur kurz dargestellt wird [1ndash5] Zu einzelnen The-men kann der findige Leser uumlber die bekannten Suchmaschinen auch im Internet mehr oderweniger detaillierte Informationen erhalten Die Fachbuumlcher [6ndash8] die sich speziell mit derHochspannungsmesstechnik oder mit Teilgebieten befassen sind bereits mehrere Jahr-zehnte alt oder nur als unveraumlnderter Nachdruck aumllterer Ausgaben vorhanden

Ein Teilgebiet der Hochspannungsmesstechnik die Messung von Stoszligspannungen undStoszligstreuroomen wird unter Einbeziehung der aktuellen IEC-Pruumlfbestimmungen Kalibrier-verfahren und Unsicherheitsberechnung in dem 2010 herausgegebenen Fachbuch [9]behandelt das 2013 auch in englischer Sprache erschien Das vorliegende Fachbuch stellteine Uumlberarbeitung und Erweiterung des Inhalts dieses Buches dar Es umfasst nun dieMesstechnik fuumlr Gleich- Wechsel- Stoszligspannungen und die entsprechenden StreuroomeTeilentladungen sowie elektrische und dielektrische Messgreurooszligen bei Hochspannung

4 1 Einleitung

Das Buch ist aus der Absicht entstanden die alten aber heute noch guumlltigen Grundlagen derHochspannungsmesstechnik mit den neueren Entwicklungen zu ergaumlnzen die sich alsKonsequenz der verbesserten geraumltetechnischen Ausstattung Einfuumlhrung der analog-digi-talen Datenumwandlung numerischen Datenverarbeitung und den geaumlnderten Pruumlfnormenergeben haben

Literatur

1 Beyer M Boeck W Meurooller K Zaengl W Hochspannungstechnik Theoretische und prakti-sche Grundlagen fuumlr die Anwendung Springer BerlinHeidelbergNew York (1986)

2 Kind D Feser K Hochspannungsversuchstechnik 5 Aufl Friedr Vieweg amp Sohn Braun-schweigWiesbaden (1995) Englische Ausgabe Kind D Feser K High-Voltage Test Techni-ques 2 Aufl Butterworth Heinemann Oxford (2001)

3 Kuumlchler A Hochspannungstechnik Grundlagen ndash Technologie ndashAnwendungen Bd 3 Springer-Verlag BerlinHeidelberg (2009) Englische Ausgabe Kuumlchler A High Voltage EngineeringFundamentals ndash Technology ndash Applications Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York(2013)

4 Kuffel E Zaengl WS Kuffel J High Voltage Engineering ndash Fundamentals 2 Aufl ElsevierNewness Oxford (2000)

5 Hauschild W Lemke E High-Voltage Test and Measuring Techniques Springer HeidelbergNew YorkDordrechtLondon (2013)

6 Schwab AJ Hochspannungsmesstechnik Messgeraumlte und Messverfahren Bd 2 2 Aufl SpringerBerlinHeidelbergNew York (1981) Englische Ausgabe Schwab AJ High-Voltage MeasurementTechniques MIT Press (1972)

7 Asner AM Stoszligspannungs-Meszligtechnik Springer BerlinHeidelbergNew York (1974)8 Hylteacuten-Cavallius N The measurement of high impulse voltages and currents In Claudi A

Bergman A Berlijn S Haumlllstreuroom J (Hrsg) A Review of Seven Decades of Development SPBoras (2004)

9 Schon K Stoszligspannungs- und Stoszligstrommesstechnik Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2010) Englische Ausgabe Schon K High Impulse Voltage and Current MeasurementTechniques Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2013)

Literatur 5

Hohe Wechselspannungen und -stroumlme 2

Die Uumlbertragung elektrischer Energie erfolgt uumlberwiegend mit hohen Wechselspannungenso dass dieser Spannungsart ndash und damit auch den Wechselstreuroomen ndash besondere Bedeutungzukommt Jedes Betriebsmittel fuumlr die elektrische Energieversorgung wird vor demEinsatz auf seine Zuverlaumlssigkeit gepruumlft wobei die Pruumlf- und Messverfahren sowieAnforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome in nationalen und internationalenPruumlfvorschriften festgelegt sind HoheWechselspannungen sind auch deshalb wichtig weilsie zur Erzeugung von Gleich- und Stoszligspannungen sowie fuumlr zahlreiche Anwendungen inPhysik und Technik beneurootigt werden Das Kapitel stellt die genormten Messgreurooszligen undMessverfahren vor geht kurz auf die hauptsaumlchlich verwendeten Spannungs- und Strom-erzeuger ein und befasst sich ausfuumlhrlich mit den Messsystemen und Messgeraumlten dieinzwischen weitgehend in digitaler Ausfuumlhrung mit rechnergestuumltzter Datenverarbeitungeingesetzt werden

21 Wechselspannungen

Die Pruumlf- und Messverfahren fuumlr Betriebsmittel der elektrischen Energieuumlbertragung ein-schlieszliglich der Anforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome sind in nationalenund internationalen Pruumlfvorschriften festgelegt [1ndash5] Hohe Wechselspannungen habenauch deshalb eine besondere Bedeutung da sie die Grundlage zur Erzeugung von Gleich-und Stoszligspannungen darstellen Alle Spannungsformen werden auszliger in der Energiever-sorgung auch fuumlr zahlreiche Aufgaben in Physik und Technik eingesetzt Fuumlr die imNiederspannungsbereich verwendeten Geraumlte mit Bemessungsspannungen von nicht mehrals 1 kV gelten besondere von den Hochspannungspruumlfvorschriften sinngemaumlszlig abgeleitetePruumlfvorschriften [6]

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7

Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

ffiffiffi2

p eth22THORN

Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

u2dt

vuuut eth23THORN

mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

ucirc-

0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth24THORN

der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

i( t)

icirc

ts0

1

ab

2

t

i(t)icirc

0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

433 Kapazitiver Stoszligspannungsteiler 1284331 Aufbau des Messsystems mit kapazitivem

Spannungsteiler 1284332 Schaltung auf der Niederspannungsseite 1294333 Burch-Abschluss bei langem Messkabel 1304334 Einfache Ersatzschaltbilder mit Erdkapazitaumlt 1304335 Varianten des kapazitiven

Stoszligspannungsteilers 131434 Gedaumlmpft kapazitiver Stoszligspannungsteiler 133

4341 Aufbau des Messsystems mit gedaumlmpftkapazitivem Spannungsteiler 133

4342 Kettenleiterersatzschaltbild undSprungantwort 135

4343 Messkabel und Burch-Abschluss 1374344 Optimierung des Niederspannungsteils 1374345 Optimal und schwach gedaumlmpfte kapazitive

Stoszligspannungsteiler 1384346 Beispiele feurour Referenzteiler 139

435 Ohmsch-kapazitiv gemischter Spannungsteiler 144436 Kugelfunkenstrecke feurour Stoszligspannungsmessungen 146437 Kapazitive Feldsensoren 148

4371 Messprinzip und Ersatzschaltbild 1484372 Feldsensor feurour den Linearitaumltsnachweis von

Spannungsteilern 1504373 Dreidimensionaler Feldsensor 151

Literatur 153

5 Stoszligstreuroome 15951 Definitionen und Parameter von Stoszligstreuroomen 160

511 Exponentielle Stoszligstreuroome 160512 Rechteckstoszligstrom 162

52 Erzeugung von Stoszligstreuroomen 162521 Generatorschaltung feurour exponentielle Stoszligstreuroome 162

5211 Einfluss des Preurouflings auf den Zeitverlauf 1655212 Crowbar-Technik 166

522 Generatorschaltung feurour Rechteckstoszligstreuroome 16753 Messung von Stoszligstreuroomen 168

531 Messsystem mit niederohmigem Messwiderstand 1695311 Erdschleifen und Kopplungsimpedanz 1695312 Leiterwiderstand eines Messkabels 1725313 Induktivitaumlten eines niederohmigen

Widerstandes 173

xiv Inhaltsverzeichnis

5314 Aufbau koaxialer Messwiderstaumlnde 1765315 Stromverdraumlngung (Skineffekt) 1785316 Kettenleiterersatzschaltbild 1815317 Experimentelle Sprungantwort von

Messwiderstaumlnden 1825318 Besondere Bauformen 1845319 Grenzlastintegral 186

532 Messsysteme mit Strommessspule 1885321 Durchflutungs- und Induktionsgesetz 1885322 Integrationsverfahren 1915323 Sprungantwort von Messspulen 1925324 Potenzialfreie Messdateneuroubertragung 1935325 Rogowski-Spulen 1935326 Strommessspulen mit Magnetkern 1995327 Magnetfeldsensor 200

Literatur 203

6 Elektro- und magnetooptische Sensoren 20561 Elektrooptische Effekte 205

611 Pockels-Effekt 2066111 Pockels-Sensoren feurour Feldmessungen 2086112 Pockels-Sensoren feurour

Spannungsmessungen 2126113 Inverser piezoelektrischer Effekt 2146114 Elektrooptische Spannungswandler 215

612 Elektrooptischer Kerr-Effekt 21662 Faraday-Effekt 219

621 Magnetooptische Stromsensoren 220622 Magnetooptische Stromwandler 223

Literatur 223

7 Digitalrecorder Software und Kalibratoren 22771 Aufbau und Eigenschaften von Digitalrecordern 227

711 AD-Wandlung mit Flash-Konverter 228712 Charakteristische Daten des Digitalrecorders 230713 Weitere Eigenschaften des Digitalrecorders 232

72 Fehlerquellen der digitalen Messtechnik 234721 Ideale Quantisierung 235722 Statische differenzielle und integrale Nichtlinearitaumlten 237723 Differenzielle Nichtlinearitaumlt und Haumlufigkeitsverteilung

bei dynamischer Beanspruchung 239724 Diskrete Abtastfehler bei Sinusspannungen 241

Inhaltsverzeichnis xv

725 Effektive Bitzahl 242726 Signalsteilheit und Abtastfehler 244727 Rauschen und Jitter des AD-Wandlers 245728 Sprungantwort des Digitalrecorders 246729 Elektromagnetische Steuroorbeeinflussung 248

73 Software zur Datenauswertung 249731 Preuroufung der Auswertesoftware mit dem TDG 250

74 Kalibriergeneratoren 25175 Anforderungen an Messgeraumlte Software und Kalibratoren 253Literatur 256

8 Darstellung von Impulsen im Zeit- und Frequenzbereich 25981 Analytische Darstellung von Stoszligspannungen 259

811 Mathematischer und virtueller Nullpunkt 263812 Varianten der Stoszligspannung 264813 Parameter von Stoszligspannungen 265814 Spektrum von Stoszligspannungen 266

82 Analytische Darstellung von Stoszligstreuroomen 269821 Bestimmung der Schaltkreiselemente 272822 Spektrum von exponentiellen Stoszligstreuroomen 273

83 Analytische Darstellung von Kurzzeitwechselstreuroomen 273

9 Uumlbertragungsverhalten linearer Systeme Faltung und Entfaltung 27591 Sprungantwort eines Systems 27692 Faltungsintegral und Faltungsalgorithmus 27793 Fourier-Transformation und Uumlbertragungsfunktion 27994 Laplace-Transformation 28295 Eigenschaften von RC- und RLC-Gliedern 284

951 Sprungantwort eines Tiefpasses 284952 Sprungantwort eines Schwingkreises 285953 Uumlbertragungsfunktion von Tiefpass und Schwingkreis 287

96 Antwortzeit Anstiegszeit und Bandbreite 28897 Beispiele feurour die Faltung 291

971 Keilstoszligspannung auf RC-Glied 291972 Keilstoszligspannung auf RLC-Glied 294973 Stoszligspannung auf RC-Glied 295974 Antwortfehler und Fehlerdiagramm 296

98 Experimentelle Sprungantwort 300981 Auswertung der experimentellen Sprungantwort 301982 Antwortparameter der Sprungantwort 301983 Messschaltungen feurour die Sprungantwort 304984 Erzeugung von Sprungspannungen 306

xvi Inhaltsverzeichnis

99 Ergaumlnzende Betrachtungen zum Uumlbertragungsverhalten 310Literatur 313

10 Kalibrierung der Messsysteme 317101 Normung Akkreditierung und Reurouckfeurouhrung 317102 Kalibrierung im Allgemeinen 320103 Kalibrierung von Spannungsmesssystemen 321

1031 Vergleichsmessung mit Referenzsystem 3211032 Besonderheiten bei der Vergleichsmessung 3231033 Kalibrierung eines einzelnen Spannungsteilers 3241034 Festgesetzter Maszligstabsfaktor 325

10341 Vergleich eurouber den gesamten Spannungsbereich(Referenzverfahren) 326

10342 Vergleichsmessung eurouber einen begrenztenSpannungsbereich 327

10343 Kalibrierung der Komponenten(Alternativverfahren) 328

1035 Linearitaumltspreuroufung 3291036 Zeitparameter einer Stoszligspannung 3291037 Dynamisches Verhalten 3301038 Anforderungen an die Sprungantwort 3311039 Fehlerdiagramm feurour Scheitelwert und Zeitparameter 33310310 Einfluss benachbarter Objekte (Naumlheeffekt) 33510311 Kurz- und Langzeitverhalten 336

104 Kalibrierung von Strommesssystemen 3381041 Vergleichsmessung mit Referenzsystem bei Stoszligstrom 3381042 Linearitaumltspreuroufung 3401043 Alternativverfahren feurour Strommesssysteme 3401044 Dynamisches Verhalten 341

105 Kalibrierung von Digitalrecordern 3411051 Kalibrierung mit Exponentialimpulsen 3421052 Kalibrierung mit Sprungspannungen 3421053 Kalibrierung mit Sinusspannungen 343

Literatur 344

11 Kapazitaumlt und Verlustfaktor 347111 Grundlagen 347

1111 Verlustfaktor im Zeigerdiagramm 3481112 Ersatzschaltbilder feurour verlustbehaftetes Dielektrikum 350

112 Messverfahren feurour feste und fleuroussige Dielektrika 351

Inhaltsverzeichnis xvii

113 Messgeraumlte feurour C und tanδ 3521131 Schering-Messbreuroucke 3531132 Schering-Messbreuroucke mit Wagnerschem Hilfszweig 3551133 Messbreuroucke mit Stromkomparator 3571134 C-tanδ-Messgeraumlt mit digitaler Datenerfassung 358

114 Kalibrierung und Reurouckfeurouhrung 3591141 Kalibrierung von C-tanδ-Messgeraumlten 3601142 Verlustfaktornormale 3621143 Kryo-Verlustfaktornormal 364

115 Druckgaskondensatoren 3651151 Konstruktionen 3651152 Einfluss des Gasdrucks 3661153 Temperaturabhaumlngigkeit 3671154 Exzentrizitaumlt und Kapazitaumlt 3681155 Spannungsabhaumlngigkeit der Kapazitaumlt 3701156 Mechanische Eigenschwingung und

Resonanzfrequenz 37311561 Mechanische Eigenschwingung 37311562 Elektrische Resonanz 376

Literatur 377

12 Grundlagen der Teilentladungsmesstechnik 381121 Innere Teilentladungen bei Wechselspannung 382122 Eigenschaften von TE-Impulsen 385123 Scheinbare Ladung 388124 Abgeleitete TE-Messgreurooszligen 388125 TE-Messgeraumlte feurour die scheinbare Ladung 389

1251 Quasi-Integration durch Bandbegrenzung 39012511 Breitband-Messgeraumlt 39112512 Schmalband-Messgeraumlt 39312513 Funksteuroormessgeraumlt 394

1252 Integration der TE-Impulse im Zeitbereich 39412521 Elektronische Integrierschaltung 39512522 Digitale Messdatenerfassung numerische

Integration 3961253 Festlegung der Anzeige als Funktion f(N) 398

126 TE-Preuroufschaltungen nach IEC 60270 399127 Kalibrieren der Preurouf- und Messkreise nach IEC 60270 402

1271 Kalibrierimpulse 4021272 Kalibrieren des vollstaumlndigen Preurouf- und Messkreises 4061273 Genauigkeitsanforderungen 407

xviii Inhaltsverzeichnis

128 Visualisierung von TE-Impulsen 4081281 Phasenabhaumlngiges TE-Muster 4081282 Synchrone Mehrkanalmessung 409

129 Besondere Mess- und Nachweisverfahren 4131291 VHF- und UHF-Messverfahren 413

12911 UHF-Messverfahren feurour GIS 41412912 UHF-Messverfahren feurour Transformatoren 41612913 TE-Messsonde feurour schnelle Vor-Ort-Messung 417

1292 TE-Messverfahren feurour Kabel und Muffen 4191293 Akustische TE-Ortung 4231294 Optische TE-Messverfahren 4261295 Chemische Nachweisverfahren 428

1210 Teilentladungen bei Gleichspannung 4291211 Teilentladungen bei Stoszligspannung 431Literatur 433

13 Bestimmung von Messunsicherheiten 441131 Der GUM 441

1311 Grundkonzept des GUM 4421312 Modellfunktion einer Messung 4431313 Ermittlungsmethode vom Typ A 4451314 Ermittlungsmethode vom Typ B 4461315 Beigeordnete Standardmessunsicherheit 4491316 Erweiterte Messunsicherheit 4511317 Effektiver Freiheitsgrad 4521318 Messunsicherheitsbudget 4531319 Angabe des vollstaumlndigen Messergebnisses 453

132 Abschlieszligende Bemerkungen 453Literatur 455

Anhang A Fourier- und Laplace-Transformation 457

Anhang B Beispiele zur Bestimmung von Messunsicherheiten 463

Sachverzeichnis 473

Inhaltsverzeichnis xix

Einleitung 1

Die Uumlbertragung elektrischer Energie vom Erzeuger zu den Ballungszentren erfolgt vor-wiegend uumlber Freileitungen auf hohem Potential um die Leitungsstreuroome und Uumlber-tragungsverluste gering zu halten In den Ballungszentren selbst wird die Energieweiter verteilt uumlber erdverlegte Hochspannungskabel oder gasisolierte Schaltanlagen(GIS) und Leitungen (GIL) Weltweit uumlblich ist die Energieuumlbertragung mit dreiphasigenWechselspannungen die sich mit Leistungstransformatoren auf die gewuumlnschten Span-nungsebenen hinauf und herunter transformieren lassen Die heuroochsten Spannungsebenenfuumlr die Energieuumlbertragung sind 400 kV in Europa 750 kV in Nordamerika und 1000 kV inAsien Die Frequenz der annaumlhend sinusfeuroormigenWechselspannung betraumlgt 50 Hz in Europaund einer Vielzahl von Laumlndern gegenuumlber 60 Hz in Nord- Mittel- und Teilen vonSuumldamerika Die Deutsche Bahn betreibt ein eigenes Versorgungsnetz mit einphasigerWechselspannung von 110 kV und einer Frequenz von 167 Hz Weiterhin existiert eineVielzahl lokaler Versorgungsnetze fuumlr regionale Bahnen mit unterschiedlichen FrequenzenHohe Wechselspannungen werden auch fuumlr andere Bereiche von Physik und Technikbeneurootigt hauptsaumlchlich in Geraumlten und Anlagen zur Erzeugung von Gleichspannungen durchGleichrichtung

Die Uumlbertragung elektrischer Energie uumlber Entfernungen von mehr als 700 km erfolgtvorteilhaft bei Gleichspannung da hierbei geringere Uumlbertragungsverluste als bei Wechsel-spannung auftreten und greurooszligere Leistungen uumlbertragbar sind Die Spannungen bei der

Hochspannungsgleichstromeuroubertragung (HGeuroU ) betragen in der Regel bis zu 500 kV inAsien sind sogar Anlagen mit maximal 800 kV im Betrieb oder geplant Aber auch kurzeUumlbertragungsstrecken (HGUuml-Kurzkupplungen) zur Verbindung zweier Wechselspannungs-netze mit nicht synchroner Netzfrequenz werden eingesetzt HGUuml-Anlagen findet man auchbei See- oder Erdkabeln mit einer Laumlnge von bis zumehreren 100 kmWeiterhin sei auf die inDeutschland vorgenommene Energiewende hingewiesen bei der zukuumlnftig die durch Wind-kraft im Norden gewonnene Energie uumlber Gleichstromtrassen in die suumldlichen Landesteile

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1

gebracht wird Schlieszliglich werden in einer futuristisch anmutenden Planungsstudie dietechnischen wirtschaftlichen und politischen Voraussetzungen untersucht um die in derSahara in Nordafrika mit Fotovoltaik-Anlagen aufgefangene Sonnenenergie uumlber HGUuml-Trassen nach Europa zu transportieren

Hohe Gleichspannungen werden bei einer Vielzahl weiterer Anwendungen eingesetztz B in Reuroontgenanlagen Staubfilteranlagen Beschichtungs- und Lackieranlagen bei derHerstellung von Aluminium usw Mit elektrostatischen Bandgeneratoren nach van deGraaff lassen sich besonders hohe und oberschwingungsfreie Gleichspannungen von biszu 25 MV erzeugen die jedoch nur mit geringen Stromstaumlrken von einigen Milliamperebelastbar sind und daher fuumlr die elektrische Energieuumlbertragung nicht in Frage kommen Siewerden vorwiegend in Beschleunigeranlagen fuumlr kernphysikalische Grundlagenuntersu-chungen verwendet

In den Betriebsanlagen zur Uumlbertragung und Verteilung elektrischer Energie bei Hoch-

spannung keuroonnen transiente euroUberspannungen mit Scheitelwerten von weit mehr als 1 MVentstehen die damit greurooszliger als die maximalen Uumlbertragungsspannungen bei Gleich- undWechselstrom sind Ursache der Uumlberspannungen sind direkte oder indirekte Blitzeinschleuroageauf Freileitungen oder in Freiluftschaltanlagen Kurzschluumlsse oder Uumlberschlaumlge durch Ver-sagen der elektrischen Isolierung Schaltvorgaumlnge in Umspannwerken und das Ansprechenvon Uumlberspannungsableitern Die transienten Spannungen haben Anstiegszeiten vorwiegendim Bereich von Mikrosekunden bis Millisekunden Bei Uumlber- oder Durchschlaumlgen und beimAnsprechen von Uumlberspannungsableitern kann der Spannungszusammenbruch sehr schnellerfolgen mit Abfallzeiten unter 1 μs Extrem kurze Zeiten im Bereich von wenigen 100 ns bishinunter zu 1 ns treten bei Schalthandlungen und Uumlberschlaumlgen in gasisolierten Schaltanla-gen auf Auch im Niederspannungsnetz keuroonnen beim Ein- und Ausschalten elektrischerGeraumlte transiente Spannungen von mehr als 1 kV auftreten die die Geraumlte in ihrer Funkti-onsweise beeinflussen oder sogar zersteurooren keuroonnen

Die in der Energieversorgung eingesetzten Betriebsmittel sind ebenfalls hohen Gleich-und Wechselstreuroomen ausgesetzt zum Beispiel bei Kurzschluumlssen im VersorgungsnetzDabei kann es zur Uumlberlagerung einer Gleichstromkomponente kommen wodurch derKurzschlusswechselstrom kurzzeitig einen Scheitelwert von 200 kA und mehr erreichtTransiente Ausgleichsstreuroome keuroonnen durch direkte oder indirekte Einwirkung vonBlitzentladungen entstehen mit Scheitelwerten im Bereich von 100 kA und Anstiegszeitenvon 1 μs Erfolgt der Blitzeinschlag in eine Freileitung breiten sich die Stromimpulse nachbeiden Seiten der Leitung aus und verursachen an den Betriebsmitteln am Leitungsendehohe transiente Spannungen die sich der Betriebswechselspannung des Netzes uumlberlagernZum Schutz der Betriebsmittel werden daher Uumlberspannungsableiter eingesetzt BeimAnsprechen der Ableiter keuroonnen sich auch die an der Betriebswechselspannung liegendenLeitungen entladen Die Ableiter werden dadurch mit einem annaumlhernd rechteckfeuroormigenStromimpuls mit einer Zeitdauer im Bereich von 1 ms beansprucht

Auch in anderen Bereichen von Physik und Technik treten hohe impulsfeuroormige Span-nungen und Streuroome mit Anstiegszeiten im Mikro- und Nanosekundenbereich auf oder sindfuumlr bestimmte Anwendungen von Nutzen wie die folgenden Beispiele zeigen In der

2 1 Einleitung

Plasmaphysik werden damit extrem groszlige Magnetfelder zum kurzzeitigen Einschluss vonPlasmen erzeugt Bei elektrischen Punktschweiszligungen erreichen die Impulsstreuroome Schei-telwerte von bis zu 200 kA Elektronische Zuumlndsysteme fuumlr Verbrennungsmotoren erzeu-gen Impulsspannungen mit Scheitelwerten von maximal 30 kV In der Leistungselektroniktreten Impulsspannungen und -streuroome von mehreren 10 kV und bis zu 10 kA auf oderwerden zur Pruumlfung beneurootigt z B fuumlr Solarmodule Elektrizitaumltszaumlhler werden mitStoszligstreuroomen die aus einer netzfrequenten Sinushalbschwingung mit Amplituden vonmehreren Kiloampere bestehen gepruumlft In der Medizintechnik wird durch Umwandlungin akustische Stoszligwellen eine Zertruumlmmerung von Nieren- und Gallensteinen sowie vonKalkablagerungen in Gelenken erzielt Die Wirkung von Elektroimpulswaffen beruht aufSpannungsimpulsen die das Nervensystem des Getroffenen fuumlr eine begrenzte Zeit laumlh-men Schlieszliglich sei auf die vielfaumlltigen Anwendungen bei Untersuchungen zur elektro-magnetischen Vertraumlglichkeit von elektronischen Geraumlten bis hin zu sehr komplexenSystemen wie sie z B Flugzeuge darstellen verwiesen

Die Isolierung der Betriebsmittel wird durch die im Betrieb auftretenden Spannungenund Streuroome einer starken Beanspruchung unterzogen die die Lebensdauer beeinflusst DieKenntnis uumlber die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der verwendeten festenfluumlssigen und gasfeuroormigen Isolierstoffe ist daher ein wichtiger Teil der Hochspannungs-technik Wenn bei der Herstellung eines Betriebsmittels Fehler in der Isolierung auftretenz B bedingt durch Gaseinschluumlsse keuroonnen oberhalb einer bestimmten EinsetzspannungTeilentladungen entstehen Bei laumlngerer Einwirkung der Teilentladungen auf die umge-bende Isolierung kann es zu einer allmaumlhlichen Schaumldigung und schlieszliglich zum vollstaumln-digen Ausfall des Betriebsmittels kommen

Die Zuverlaumlssigkeit der elektrischen Energieversorgung ist eine wichtige Voraussetzungfuumlr eine florierende Wirtschaft in jedem Land und fuumlr das Wohlergehen der BeveuroolkerungJedes Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung wird daher vor seinem Einsatzeiner Reihe von Abnahmepruumlfungen unterzogen Damit werden im Pruumlflabor gegebenen-falls auch als Vor-Ort-Preuroufung am Einsatzort des Betriebsmittels die elektrischen mecha-nischen und thermischen Beanspruchungen nachgebildet die im praktischen Einsatz desBetriebsmittels auftreten keuroonnen Hierzu geheurooren zum einen Pruumlfungen mit der demNetzbetrieb entsprechenden Spannungs- oder Stromart zum anderen Pruumlfungen mit im-pulsfeuroormigen Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroomen Letztere werden im deutschsprachigenRaum als Stoszligspannungen bzw Stoszligstreuroome bezeichnet die den im Betrieb auftretendentransienten Spannungen und Streuroomen entsprechen Die Heuroohe der international genormtenPruumlfspannungen richtet sich nach der Bemessungsspannung der Betriebsmittel Mit sehrsteil ansteigenden Stoszligspannungen lassen sich zwischen platten- oder streifenfeuroormigenElektrodenanordnungen elektromagnetische Felder zur Vertraumlglichkeitspruumlfung elektroni-scher Geraumlte und Systeme erzeugen Auch die Wirkung des bei einer Nuklearexplosion ingroszliger Heuroohe ausgeleuroosten elektromagnetischen Impulses kann auf diese Weise simuliertwerden

Zusaumltzlich zu den Spannungspruumlfungen werden Betriebsmittel einer Teilentladungspruuml-fung im Pruumlflabor unterzogen Zwar ist das Phaumlnomen der Teilentladungen sehr vielschichtig

Einleitung 3

und noch nicht restlos geklaumlrt jedoch weiszlig man auf Grund jahrzehntelanger Erfahrungdass bei Uumlberschreiten einer fuumlr jedes Betriebsmittel individuellen Teilentladungsstaumlrkedie Gefahr einer langfristigen Schaumldigung der Isolierung besteht und das Betriebsmittelvorzeitig ausfaumlllt Zunehmend findet daher ein Online-Monitoring zur permanenten Uumlber-wachung der Teilentladungen statt um rechtzeitig einen meurooglichen Ausfall des Betriebs-mittels zu erkennen Weiterhin werden die elektrischen und dielektrischen Eigenschaftender Hochspannungsisolierung uumlberpruumlft Hierzu geheurooren Messgreurooszligen wie Isolationswider-stand Leitfaumlhigkeit Kapazitaumlt und Verlustfaktor des Pruumlflings

Bei allen Pruumlfungen ist eine fundierte Messtechnik erforderlich sei es weil eine Uumlber-oder Unterbeanspruchung des Betriebsmittels oder Pruumlflings vermieden werden soll oderweil die Qualitaumlt einer Anwendung z B bei einer medizinischen Behandlung oder beimelektrischen Punktschweiszligen gewaumlhrleistet sein muss Die Messung hoher Spannungenund Streuroome von Teilentladungen und dielektrischen Eigenschaften der Isolierstoffe weisteine lange Tradition auf wobei zwei entscheidende Veraumlnderungen eingetreten sind Dieseit Jahrzehnten eingesetzten mechanischen Messgeraumlte und angewandten Messverfahrenwurden schon vor einiger Zeit durch die Verfuumlgbarkeit elektronischer Messgeraumlte weitge-hend abgeleuroost Die Einfuumlhrung der digitalen Messtechnik mit numerischer Datenverarbei-tung stellt eine weitere entscheidende Zaumlsur dar und bedeutet das Ende fuumlr die meistenanalogen Messschaltungen und Messgeraumlte

Die bei Pruumlfungen eingesetzten Messmittel muumlssen hinsichtlich ihrer Messrichtigkeituumlberpruumlft sein In diesem Zusammenhang stehen Begriffe und Inhalte wie Qualitaumltssiche-rung Kalibrierung Ruumlckfuumlhrung der Messungen auf die SI-Einheiten Messunsicherheitinternational anerkannte Pruumlfvorschriften akkreditierte Pruumlf- und Kalibrierlaboratorien

Die Hochspannungs- und Energietechnik wird in der Fachliteratur ausgiebig behandeltvor allem in den aktuellen Konferenzbaumlnden nationaler und internationaler Vortragsveran-staltungen z B bdquoInternational Symposium on High Voltage Engineeringldquo (ISH) Zusam-menfassende Darstellungen finden sich in einer Reihe von Fachbuumlchern in denen dieentsprechende Messtechnik allerdings nur kurz dargestellt wird [1ndash5] Zu einzelnen The-men kann der findige Leser uumlber die bekannten Suchmaschinen auch im Internet mehr oderweniger detaillierte Informationen erhalten Die Fachbuumlcher [6ndash8] die sich speziell mit derHochspannungsmesstechnik oder mit Teilgebieten befassen sind bereits mehrere Jahr-zehnte alt oder nur als unveraumlnderter Nachdruck aumllterer Ausgaben vorhanden

Ein Teilgebiet der Hochspannungsmesstechnik die Messung von Stoszligspannungen undStoszligstreuroomen wird unter Einbeziehung der aktuellen IEC-Pruumlfbestimmungen Kalibrier-verfahren und Unsicherheitsberechnung in dem 2010 herausgegebenen Fachbuch [9]behandelt das 2013 auch in englischer Sprache erschien Das vorliegende Fachbuch stellteine Uumlberarbeitung und Erweiterung des Inhalts dieses Buches dar Es umfasst nun dieMesstechnik fuumlr Gleich- Wechsel- Stoszligspannungen und die entsprechenden StreuroomeTeilentladungen sowie elektrische und dielektrische Messgreurooszligen bei Hochspannung

4 1 Einleitung

Das Buch ist aus der Absicht entstanden die alten aber heute noch guumlltigen Grundlagen derHochspannungsmesstechnik mit den neueren Entwicklungen zu ergaumlnzen die sich alsKonsequenz der verbesserten geraumltetechnischen Ausstattung Einfuumlhrung der analog-digi-talen Datenumwandlung numerischen Datenverarbeitung und den geaumlnderten Pruumlfnormenergeben haben

Literatur

1 Beyer M Boeck W Meurooller K Zaengl W Hochspannungstechnik Theoretische und prakti-sche Grundlagen fuumlr die Anwendung Springer BerlinHeidelbergNew York (1986)

2 Kind D Feser K Hochspannungsversuchstechnik 5 Aufl Friedr Vieweg amp Sohn Braun-schweigWiesbaden (1995) Englische Ausgabe Kind D Feser K High-Voltage Test Techni-ques 2 Aufl Butterworth Heinemann Oxford (2001)

3 Kuumlchler A Hochspannungstechnik Grundlagen ndash Technologie ndashAnwendungen Bd 3 Springer-Verlag BerlinHeidelberg (2009) Englische Ausgabe Kuumlchler A High Voltage EngineeringFundamentals ndash Technology ndash Applications Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York(2013)

4 Kuffel E Zaengl WS Kuffel J High Voltage Engineering ndash Fundamentals 2 Aufl ElsevierNewness Oxford (2000)

5 Hauschild W Lemke E High-Voltage Test and Measuring Techniques Springer HeidelbergNew YorkDordrechtLondon (2013)

6 Schwab AJ Hochspannungsmesstechnik Messgeraumlte und Messverfahren Bd 2 2 Aufl SpringerBerlinHeidelbergNew York (1981) Englische Ausgabe Schwab AJ High-Voltage MeasurementTechniques MIT Press (1972)

7 Asner AM Stoszligspannungs-Meszligtechnik Springer BerlinHeidelbergNew York (1974)8 Hylteacuten-Cavallius N The measurement of high impulse voltages and currents In Claudi A

Bergman A Berlijn S Haumlllstreuroom J (Hrsg) A Review of Seven Decades of Development SPBoras (2004)

9 Schon K Stoszligspannungs- und Stoszligstrommesstechnik Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2010) Englische Ausgabe Schon K High Impulse Voltage and Current MeasurementTechniques Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2013)

Literatur 5

Hohe Wechselspannungen und -stroumlme 2

Die Uumlbertragung elektrischer Energie erfolgt uumlberwiegend mit hohen Wechselspannungenso dass dieser Spannungsart ndash und damit auch den Wechselstreuroomen ndash besondere Bedeutungzukommt Jedes Betriebsmittel fuumlr die elektrische Energieversorgung wird vor demEinsatz auf seine Zuverlaumlssigkeit gepruumlft wobei die Pruumlf- und Messverfahren sowieAnforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome in nationalen und internationalenPruumlfvorschriften festgelegt sind HoheWechselspannungen sind auch deshalb wichtig weilsie zur Erzeugung von Gleich- und Stoszligspannungen sowie fuumlr zahlreiche Anwendungen inPhysik und Technik beneurootigt werden Das Kapitel stellt die genormten Messgreurooszligen undMessverfahren vor geht kurz auf die hauptsaumlchlich verwendeten Spannungs- und Strom-erzeuger ein und befasst sich ausfuumlhrlich mit den Messsystemen und Messgeraumlten dieinzwischen weitgehend in digitaler Ausfuumlhrung mit rechnergestuumltzter Datenverarbeitungeingesetzt werden

21 Wechselspannungen

Die Pruumlf- und Messverfahren fuumlr Betriebsmittel der elektrischen Energieuumlbertragung ein-schlieszliglich der Anforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome sind in nationalenund internationalen Pruumlfvorschriften festgelegt [1ndash5] Hohe Wechselspannungen habenauch deshalb eine besondere Bedeutung da sie die Grundlage zur Erzeugung von Gleich-und Stoszligspannungen darstellen Alle Spannungsformen werden auszliger in der Energiever-sorgung auch fuumlr zahlreiche Aufgaben in Physik und Technik eingesetzt Fuumlr die imNiederspannungsbereich verwendeten Geraumlte mit Bemessungsspannungen von nicht mehrals 1 kV gelten besondere von den Hochspannungspruumlfvorschriften sinngemaumlszlig abgeleitetePruumlfvorschriften [6]

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7

Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

ffiffiffi2

p eth22THORN

Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

u2dt

vuuut eth23THORN

mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

ucirc-

0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth24THORN

der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

i( t)

icirc

ts0

1

ab

2

t

i(t)icirc

0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

5314 Aufbau koaxialer Messwiderstaumlnde 1765315 Stromverdraumlngung (Skineffekt) 1785316 Kettenleiterersatzschaltbild 1815317 Experimentelle Sprungantwort von

Messwiderstaumlnden 1825318 Besondere Bauformen 1845319 Grenzlastintegral 186

532 Messsysteme mit Strommessspule 1885321 Durchflutungs- und Induktionsgesetz 1885322 Integrationsverfahren 1915323 Sprungantwort von Messspulen 1925324 Potenzialfreie Messdateneuroubertragung 1935325 Rogowski-Spulen 1935326 Strommessspulen mit Magnetkern 1995327 Magnetfeldsensor 200

Literatur 203

6 Elektro- und magnetooptische Sensoren 20561 Elektrooptische Effekte 205

611 Pockels-Effekt 2066111 Pockels-Sensoren feurour Feldmessungen 2086112 Pockels-Sensoren feurour

Spannungsmessungen 2126113 Inverser piezoelektrischer Effekt 2146114 Elektrooptische Spannungswandler 215

612 Elektrooptischer Kerr-Effekt 21662 Faraday-Effekt 219

621 Magnetooptische Stromsensoren 220622 Magnetooptische Stromwandler 223

Literatur 223

7 Digitalrecorder Software und Kalibratoren 22771 Aufbau und Eigenschaften von Digitalrecordern 227

711 AD-Wandlung mit Flash-Konverter 228712 Charakteristische Daten des Digitalrecorders 230713 Weitere Eigenschaften des Digitalrecorders 232

72 Fehlerquellen der digitalen Messtechnik 234721 Ideale Quantisierung 235722 Statische differenzielle und integrale Nichtlinearitaumlten 237723 Differenzielle Nichtlinearitaumlt und Haumlufigkeitsverteilung

bei dynamischer Beanspruchung 239724 Diskrete Abtastfehler bei Sinusspannungen 241

Inhaltsverzeichnis xv

725 Effektive Bitzahl 242726 Signalsteilheit und Abtastfehler 244727 Rauschen und Jitter des AD-Wandlers 245728 Sprungantwort des Digitalrecorders 246729 Elektromagnetische Steuroorbeeinflussung 248

73 Software zur Datenauswertung 249731 Preuroufung der Auswertesoftware mit dem TDG 250

74 Kalibriergeneratoren 25175 Anforderungen an Messgeraumlte Software und Kalibratoren 253Literatur 256

8 Darstellung von Impulsen im Zeit- und Frequenzbereich 25981 Analytische Darstellung von Stoszligspannungen 259

811 Mathematischer und virtueller Nullpunkt 263812 Varianten der Stoszligspannung 264813 Parameter von Stoszligspannungen 265814 Spektrum von Stoszligspannungen 266

82 Analytische Darstellung von Stoszligstreuroomen 269821 Bestimmung der Schaltkreiselemente 272822 Spektrum von exponentiellen Stoszligstreuroomen 273

83 Analytische Darstellung von Kurzzeitwechselstreuroomen 273

9 Uumlbertragungsverhalten linearer Systeme Faltung und Entfaltung 27591 Sprungantwort eines Systems 27692 Faltungsintegral und Faltungsalgorithmus 27793 Fourier-Transformation und Uumlbertragungsfunktion 27994 Laplace-Transformation 28295 Eigenschaften von RC- und RLC-Gliedern 284

951 Sprungantwort eines Tiefpasses 284952 Sprungantwort eines Schwingkreises 285953 Uumlbertragungsfunktion von Tiefpass und Schwingkreis 287

96 Antwortzeit Anstiegszeit und Bandbreite 28897 Beispiele feurour die Faltung 291

971 Keilstoszligspannung auf RC-Glied 291972 Keilstoszligspannung auf RLC-Glied 294973 Stoszligspannung auf RC-Glied 295974 Antwortfehler und Fehlerdiagramm 296

98 Experimentelle Sprungantwort 300981 Auswertung der experimentellen Sprungantwort 301982 Antwortparameter der Sprungantwort 301983 Messschaltungen feurour die Sprungantwort 304984 Erzeugung von Sprungspannungen 306

xvi Inhaltsverzeichnis

99 Ergaumlnzende Betrachtungen zum Uumlbertragungsverhalten 310Literatur 313

10 Kalibrierung der Messsysteme 317101 Normung Akkreditierung und Reurouckfeurouhrung 317102 Kalibrierung im Allgemeinen 320103 Kalibrierung von Spannungsmesssystemen 321

1031 Vergleichsmessung mit Referenzsystem 3211032 Besonderheiten bei der Vergleichsmessung 3231033 Kalibrierung eines einzelnen Spannungsteilers 3241034 Festgesetzter Maszligstabsfaktor 325

10341 Vergleich eurouber den gesamten Spannungsbereich(Referenzverfahren) 326

10342 Vergleichsmessung eurouber einen begrenztenSpannungsbereich 327

10343 Kalibrierung der Komponenten(Alternativverfahren) 328

1035 Linearitaumltspreuroufung 3291036 Zeitparameter einer Stoszligspannung 3291037 Dynamisches Verhalten 3301038 Anforderungen an die Sprungantwort 3311039 Fehlerdiagramm feurour Scheitelwert und Zeitparameter 33310310 Einfluss benachbarter Objekte (Naumlheeffekt) 33510311 Kurz- und Langzeitverhalten 336

104 Kalibrierung von Strommesssystemen 3381041 Vergleichsmessung mit Referenzsystem bei Stoszligstrom 3381042 Linearitaumltspreuroufung 3401043 Alternativverfahren feurour Strommesssysteme 3401044 Dynamisches Verhalten 341

105 Kalibrierung von Digitalrecordern 3411051 Kalibrierung mit Exponentialimpulsen 3421052 Kalibrierung mit Sprungspannungen 3421053 Kalibrierung mit Sinusspannungen 343

Literatur 344

11 Kapazitaumlt und Verlustfaktor 347111 Grundlagen 347

1111 Verlustfaktor im Zeigerdiagramm 3481112 Ersatzschaltbilder feurour verlustbehaftetes Dielektrikum 350

112 Messverfahren feurour feste und fleuroussige Dielektrika 351

Inhaltsverzeichnis xvii

113 Messgeraumlte feurour C und tanδ 3521131 Schering-Messbreuroucke 3531132 Schering-Messbreuroucke mit Wagnerschem Hilfszweig 3551133 Messbreuroucke mit Stromkomparator 3571134 C-tanδ-Messgeraumlt mit digitaler Datenerfassung 358

114 Kalibrierung und Reurouckfeurouhrung 3591141 Kalibrierung von C-tanδ-Messgeraumlten 3601142 Verlustfaktornormale 3621143 Kryo-Verlustfaktornormal 364

115 Druckgaskondensatoren 3651151 Konstruktionen 3651152 Einfluss des Gasdrucks 3661153 Temperaturabhaumlngigkeit 3671154 Exzentrizitaumlt und Kapazitaumlt 3681155 Spannungsabhaumlngigkeit der Kapazitaumlt 3701156 Mechanische Eigenschwingung und

Resonanzfrequenz 37311561 Mechanische Eigenschwingung 37311562 Elektrische Resonanz 376

Literatur 377

12 Grundlagen der Teilentladungsmesstechnik 381121 Innere Teilentladungen bei Wechselspannung 382122 Eigenschaften von TE-Impulsen 385123 Scheinbare Ladung 388124 Abgeleitete TE-Messgreurooszligen 388125 TE-Messgeraumlte feurour die scheinbare Ladung 389

1251 Quasi-Integration durch Bandbegrenzung 39012511 Breitband-Messgeraumlt 39112512 Schmalband-Messgeraumlt 39312513 Funksteuroormessgeraumlt 394

1252 Integration der TE-Impulse im Zeitbereich 39412521 Elektronische Integrierschaltung 39512522 Digitale Messdatenerfassung numerische

Integration 3961253 Festlegung der Anzeige als Funktion f(N) 398

126 TE-Preuroufschaltungen nach IEC 60270 399127 Kalibrieren der Preurouf- und Messkreise nach IEC 60270 402

1271 Kalibrierimpulse 4021272 Kalibrieren des vollstaumlndigen Preurouf- und Messkreises 4061273 Genauigkeitsanforderungen 407

xviii Inhaltsverzeichnis

128 Visualisierung von TE-Impulsen 4081281 Phasenabhaumlngiges TE-Muster 4081282 Synchrone Mehrkanalmessung 409

129 Besondere Mess- und Nachweisverfahren 4131291 VHF- und UHF-Messverfahren 413

12911 UHF-Messverfahren feurour GIS 41412912 UHF-Messverfahren feurour Transformatoren 41612913 TE-Messsonde feurour schnelle Vor-Ort-Messung 417

1292 TE-Messverfahren feurour Kabel und Muffen 4191293 Akustische TE-Ortung 4231294 Optische TE-Messverfahren 4261295 Chemische Nachweisverfahren 428

1210 Teilentladungen bei Gleichspannung 4291211 Teilentladungen bei Stoszligspannung 431Literatur 433

13 Bestimmung von Messunsicherheiten 441131 Der GUM 441

1311 Grundkonzept des GUM 4421312 Modellfunktion einer Messung 4431313 Ermittlungsmethode vom Typ A 4451314 Ermittlungsmethode vom Typ B 4461315 Beigeordnete Standardmessunsicherheit 4491316 Erweiterte Messunsicherheit 4511317 Effektiver Freiheitsgrad 4521318 Messunsicherheitsbudget 4531319 Angabe des vollstaumlndigen Messergebnisses 453

132 Abschlieszligende Bemerkungen 453Literatur 455

Anhang A Fourier- und Laplace-Transformation 457

Anhang B Beispiele zur Bestimmung von Messunsicherheiten 463

Sachverzeichnis 473

Inhaltsverzeichnis xix

Einleitung 1

Die Uumlbertragung elektrischer Energie vom Erzeuger zu den Ballungszentren erfolgt vor-wiegend uumlber Freileitungen auf hohem Potential um die Leitungsstreuroome und Uumlber-tragungsverluste gering zu halten In den Ballungszentren selbst wird die Energieweiter verteilt uumlber erdverlegte Hochspannungskabel oder gasisolierte Schaltanlagen(GIS) und Leitungen (GIL) Weltweit uumlblich ist die Energieuumlbertragung mit dreiphasigenWechselspannungen die sich mit Leistungstransformatoren auf die gewuumlnschten Span-nungsebenen hinauf und herunter transformieren lassen Die heuroochsten Spannungsebenenfuumlr die Energieuumlbertragung sind 400 kV in Europa 750 kV in Nordamerika und 1000 kV inAsien Die Frequenz der annaumlhend sinusfeuroormigenWechselspannung betraumlgt 50 Hz in Europaund einer Vielzahl von Laumlndern gegenuumlber 60 Hz in Nord- Mittel- und Teilen vonSuumldamerika Die Deutsche Bahn betreibt ein eigenes Versorgungsnetz mit einphasigerWechselspannung von 110 kV und einer Frequenz von 167 Hz Weiterhin existiert eineVielzahl lokaler Versorgungsnetze fuumlr regionale Bahnen mit unterschiedlichen FrequenzenHohe Wechselspannungen werden auch fuumlr andere Bereiche von Physik und Technikbeneurootigt hauptsaumlchlich in Geraumlten und Anlagen zur Erzeugung von Gleichspannungen durchGleichrichtung

Die Uumlbertragung elektrischer Energie uumlber Entfernungen von mehr als 700 km erfolgtvorteilhaft bei Gleichspannung da hierbei geringere Uumlbertragungsverluste als bei Wechsel-spannung auftreten und greurooszligere Leistungen uumlbertragbar sind Die Spannungen bei der

Hochspannungsgleichstromeuroubertragung (HGeuroU ) betragen in der Regel bis zu 500 kV inAsien sind sogar Anlagen mit maximal 800 kV im Betrieb oder geplant Aber auch kurzeUumlbertragungsstrecken (HGUuml-Kurzkupplungen) zur Verbindung zweier Wechselspannungs-netze mit nicht synchroner Netzfrequenz werden eingesetzt HGUuml-Anlagen findet man auchbei See- oder Erdkabeln mit einer Laumlnge von bis zumehreren 100 kmWeiterhin sei auf die inDeutschland vorgenommene Energiewende hingewiesen bei der zukuumlnftig die durch Wind-kraft im Norden gewonnene Energie uumlber Gleichstromtrassen in die suumldlichen Landesteile

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_1

1

gebracht wird Schlieszliglich werden in einer futuristisch anmutenden Planungsstudie dietechnischen wirtschaftlichen und politischen Voraussetzungen untersucht um die in derSahara in Nordafrika mit Fotovoltaik-Anlagen aufgefangene Sonnenenergie uumlber HGUuml-Trassen nach Europa zu transportieren

Hohe Gleichspannungen werden bei einer Vielzahl weiterer Anwendungen eingesetztz B in Reuroontgenanlagen Staubfilteranlagen Beschichtungs- und Lackieranlagen bei derHerstellung von Aluminium usw Mit elektrostatischen Bandgeneratoren nach van deGraaff lassen sich besonders hohe und oberschwingungsfreie Gleichspannungen von biszu 25 MV erzeugen die jedoch nur mit geringen Stromstaumlrken von einigen Milliamperebelastbar sind und daher fuumlr die elektrische Energieuumlbertragung nicht in Frage kommen Siewerden vorwiegend in Beschleunigeranlagen fuumlr kernphysikalische Grundlagenuntersu-chungen verwendet

In den Betriebsanlagen zur Uumlbertragung und Verteilung elektrischer Energie bei Hoch-

spannung keuroonnen transiente euroUberspannungen mit Scheitelwerten von weit mehr als 1 MVentstehen die damit greurooszliger als die maximalen Uumlbertragungsspannungen bei Gleich- undWechselstrom sind Ursache der Uumlberspannungen sind direkte oder indirekte Blitzeinschleuroageauf Freileitungen oder in Freiluftschaltanlagen Kurzschluumlsse oder Uumlberschlaumlge durch Ver-sagen der elektrischen Isolierung Schaltvorgaumlnge in Umspannwerken und das Ansprechenvon Uumlberspannungsableitern Die transienten Spannungen haben Anstiegszeiten vorwiegendim Bereich von Mikrosekunden bis Millisekunden Bei Uumlber- oder Durchschlaumlgen und beimAnsprechen von Uumlberspannungsableitern kann der Spannungszusammenbruch sehr schnellerfolgen mit Abfallzeiten unter 1 μs Extrem kurze Zeiten im Bereich von wenigen 100 ns bishinunter zu 1 ns treten bei Schalthandlungen und Uumlberschlaumlgen in gasisolierten Schaltanla-gen auf Auch im Niederspannungsnetz keuroonnen beim Ein- und Ausschalten elektrischerGeraumlte transiente Spannungen von mehr als 1 kV auftreten die die Geraumlte in ihrer Funkti-onsweise beeinflussen oder sogar zersteurooren keuroonnen

Die in der Energieversorgung eingesetzten Betriebsmittel sind ebenfalls hohen Gleich-und Wechselstreuroomen ausgesetzt zum Beispiel bei Kurzschluumlssen im VersorgungsnetzDabei kann es zur Uumlberlagerung einer Gleichstromkomponente kommen wodurch derKurzschlusswechselstrom kurzzeitig einen Scheitelwert von 200 kA und mehr erreichtTransiente Ausgleichsstreuroome keuroonnen durch direkte oder indirekte Einwirkung vonBlitzentladungen entstehen mit Scheitelwerten im Bereich von 100 kA und Anstiegszeitenvon 1 μs Erfolgt der Blitzeinschlag in eine Freileitung breiten sich die Stromimpulse nachbeiden Seiten der Leitung aus und verursachen an den Betriebsmitteln am Leitungsendehohe transiente Spannungen die sich der Betriebswechselspannung des Netzes uumlberlagernZum Schutz der Betriebsmittel werden daher Uumlberspannungsableiter eingesetzt BeimAnsprechen der Ableiter keuroonnen sich auch die an der Betriebswechselspannung liegendenLeitungen entladen Die Ableiter werden dadurch mit einem annaumlhernd rechteckfeuroormigenStromimpuls mit einer Zeitdauer im Bereich von 1 ms beansprucht

Auch in anderen Bereichen von Physik und Technik treten hohe impulsfeuroormige Span-nungen und Streuroome mit Anstiegszeiten im Mikro- und Nanosekundenbereich auf oder sindfuumlr bestimmte Anwendungen von Nutzen wie die folgenden Beispiele zeigen In der

2 1 Einleitung

Plasmaphysik werden damit extrem groszlige Magnetfelder zum kurzzeitigen Einschluss vonPlasmen erzeugt Bei elektrischen Punktschweiszligungen erreichen die Impulsstreuroome Schei-telwerte von bis zu 200 kA Elektronische Zuumlndsysteme fuumlr Verbrennungsmotoren erzeu-gen Impulsspannungen mit Scheitelwerten von maximal 30 kV In der Leistungselektroniktreten Impulsspannungen und -streuroome von mehreren 10 kV und bis zu 10 kA auf oderwerden zur Pruumlfung beneurootigt z B fuumlr Solarmodule Elektrizitaumltszaumlhler werden mitStoszligstreuroomen die aus einer netzfrequenten Sinushalbschwingung mit Amplituden vonmehreren Kiloampere bestehen gepruumlft In der Medizintechnik wird durch Umwandlungin akustische Stoszligwellen eine Zertruumlmmerung von Nieren- und Gallensteinen sowie vonKalkablagerungen in Gelenken erzielt Die Wirkung von Elektroimpulswaffen beruht aufSpannungsimpulsen die das Nervensystem des Getroffenen fuumlr eine begrenzte Zeit laumlh-men Schlieszliglich sei auf die vielfaumlltigen Anwendungen bei Untersuchungen zur elektro-magnetischen Vertraumlglichkeit von elektronischen Geraumlten bis hin zu sehr komplexenSystemen wie sie z B Flugzeuge darstellen verwiesen

Die Isolierung der Betriebsmittel wird durch die im Betrieb auftretenden Spannungenund Streuroome einer starken Beanspruchung unterzogen die die Lebensdauer beeinflusst DieKenntnis uumlber die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der verwendeten festenfluumlssigen und gasfeuroormigen Isolierstoffe ist daher ein wichtiger Teil der Hochspannungs-technik Wenn bei der Herstellung eines Betriebsmittels Fehler in der Isolierung auftretenz B bedingt durch Gaseinschluumlsse keuroonnen oberhalb einer bestimmten EinsetzspannungTeilentladungen entstehen Bei laumlngerer Einwirkung der Teilentladungen auf die umge-bende Isolierung kann es zu einer allmaumlhlichen Schaumldigung und schlieszliglich zum vollstaumln-digen Ausfall des Betriebsmittels kommen

Die Zuverlaumlssigkeit der elektrischen Energieversorgung ist eine wichtige Voraussetzungfuumlr eine florierende Wirtschaft in jedem Land und fuumlr das Wohlergehen der BeveuroolkerungJedes Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung wird daher vor seinem Einsatzeiner Reihe von Abnahmepruumlfungen unterzogen Damit werden im Pruumlflabor gegebenen-falls auch als Vor-Ort-Preuroufung am Einsatzort des Betriebsmittels die elektrischen mecha-nischen und thermischen Beanspruchungen nachgebildet die im praktischen Einsatz desBetriebsmittels auftreten keuroonnen Hierzu geheurooren zum einen Pruumlfungen mit der demNetzbetrieb entsprechenden Spannungs- oder Stromart zum anderen Pruumlfungen mit im-pulsfeuroormigen Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroomen Letztere werden im deutschsprachigenRaum als Stoszligspannungen bzw Stoszligstreuroome bezeichnet die den im Betrieb auftretendentransienten Spannungen und Streuroomen entsprechen Die Heuroohe der international genormtenPruumlfspannungen richtet sich nach der Bemessungsspannung der Betriebsmittel Mit sehrsteil ansteigenden Stoszligspannungen lassen sich zwischen platten- oder streifenfeuroormigenElektrodenanordnungen elektromagnetische Felder zur Vertraumlglichkeitspruumlfung elektroni-scher Geraumlte und Systeme erzeugen Auch die Wirkung des bei einer Nuklearexplosion ingroszliger Heuroohe ausgeleuroosten elektromagnetischen Impulses kann auf diese Weise simuliertwerden

Zusaumltzlich zu den Spannungspruumlfungen werden Betriebsmittel einer Teilentladungspruuml-fung im Pruumlflabor unterzogen Zwar ist das Phaumlnomen der Teilentladungen sehr vielschichtig

Einleitung 3

und noch nicht restlos geklaumlrt jedoch weiszlig man auf Grund jahrzehntelanger Erfahrungdass bei Uumlberschreiten einer fuumlr jedes Betriebsmittel individuellen Teilentladungsstaumlrkedie Gefahr einer langfristigen Schaumldigung der Isolierung besteht und das Betriebsmittelvorzeitig ausfaumlllt Zunehmend findet daher ein Online-Monitoring zur permanenten Uumlber-wachung der Teilentladungen statt um rechtzeitig einen meurooglichen Ausfall des Betriebs-mittels zu erkennen Weiterhin werden die elektrischen und dielektrischen Eigenschaftender Hochspannungsisolierung uumlberpruumlft Hierzu geheurooren Messgreurooszligen wie Isolationswider-stand Leitfaumlhigkeit Kapazitaumlt und Verlustfaktor des Pruumlflings

Bei allen Pruumlfungen ist eine fundierte Messtechnik erforderlich sei es weil eine Uumlber-oder Unterbeanspruchung des Betriebsmittels oder Pruumlflings vermieden werden soll oderweil die Qualitaumlt einer Anwendung z B bei einer medizinischen Behandlung oder beimelektrischen Punktschweiszligen gewaumlhrleistet sein muss Die Messung hoher Spannungenund Streuroome von Teilentladungen und dielektrischen Eigenschaften der Isolierstoffe weisteine lange Tradition auf wobei zwei entscheidende Veraumlnderungen eingetreten sind Dieseit Jahrzehnten eingesetzten mechanischen Messgeraumlte und angewandten Messverfahrenwurden schon vor einiger Zeit durch die Verfuumlgbarkeit elektronischer Messgeraumlte weitge-hend abgeleuroost Die Einfuumlhrung der digitalen Messtechnik mit numerischer Datenverarbei-tung stellt eine weitere entscheidende Zaumlsur dar und bedeutet das Ende fuumlr die meistenanalogen Messschaltungen und Messgeraumlte

Die bei Pruumlfungen eingesetzten Messmittel muumlssen hinsichtlich ihrer Messrichtigkeituumlberpruumlft sein In diesem Zusammenhang stehen Begriffe und Inhalte wie Qualitaumltssiche-rung Kalibrierung Ruumlckfuumlhrung der Messungen auf die SI-Einheiten Messunsicherheitinternational anerkannte Pruumlfvorschriften akkreditierte Pruumlf- und Kalibrierlaboratorien

Die Hochspannungs- und Energietechnik wird in der Fachliteratur ausgiebig behandeltvor allem in den aktuellen Konferenzbaumlnden nationaler und internationaler Vortragsveran-staltungen z B bdquoInternational Symposium on High Voltage Engineeringldquo (ISH) Zusam-menfassende Darstellungen finden sich in einer Reihe von Fachbuumlchern in denen dieentsprechende Messtechnik allerdings nur kurz dargestellt wird [1ndash5] Zu einzelnen The-men kann der findige Leser uumlber die bekannten Suchmaschinen auch im Internet mehr oderweniger detaillierte Informationen erhalten Die Fachbuumlcher [6ndash8] die sich speziell mit derHochspannungsmesstechnik oder mit Teilgebieten befassen sind bereits mehrere Jahr-zehnte alt oder nur als unveraumlnderter Nachdruck aumllterer Ausgaben vorhanden

Ein Teilgebiet der Hochspannungsmesstechnik die Messung von Stoszligspannungen undStoszligstreuroomen wird unter Einbeziehung der aktuellen IEC-Pruumlfbestimmungen Kalibrier-verfahren und Unsicherheitsberechnung in dem 2010 herausgegebenen Fachbuch [9]behandelt das 2013 auch in englischer Sprache erschien Das vorliegende Fachbuch stellteine Uumlberarbeitung und Erweiterung des Inhalts dieses Buches dar Es umfasst nun dieMesstechnik fuumlr Gleich- Wechsel- Stoszligspannungen und die entsprechenden StreuroomeTeilentladungen sowie elektrische und dielektrische Messgreurooszligen bei Hochspannung

4 1 Einleitung

Das Buch ist aus der Absicht entstanden die alten aber heute noch guumlltigen Grundlagen derHochspannungsmesstechnik mit den neueren Entwicklungen zu ergaumlnzen die sich alsKonsequenz der verbesserten geraumltetechnischen Ausstattung Einfuumlhrung der analog-digi-talen Datenumwandlung numerischen Datenverarbeitung und den geaumlnderten Pruumlfnormenergeben haben

Literatur

1 Beyer M Boeck W Meurooller K Zaengl W Hochspannungstechnik Theoretische und prakti-sche Grundlagen fuumlr die Anwendung Springer BerlinHeidelbergNew York (1986)

2 Kind D Feser K Hochspannungsversuchstechnik 5 Aufl Friedr Vieweg amp Sohn Braun-schweigWiesbaden (1995) Englische Ausgabe Kind D Feser K High-Voltage Test Techni-ques 2 Aufl Butterworth Heinemann Oxford (2001)

3 Kuumlchler A Hochspannungstechnik Grundlagen ndash Technologie ndashAnwendungen Bd 3 Springer-Verlag BerlinHeidelberg (2009) Englische Ausgabe Kuumlchler A High Voltage EngineeringFundamentals ndash Technology ndash Applications Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York(2013)

4 Kuffel E Zaengl WS Kuffel J High Voltage Engineering ndash Fundamentals 2 Aufl ElsevierNewness Oxford (2000)

5 Hauschild W Lemke E High-Voltage Test and Measuring Techniques Springer HeidelbergNew YorkDordrechtLondon (2013)

6 Schwab AJ Hochspannungsmesstechnik Messgeraumlte und Messverfahren Bd 2 2 Aufl SpringerBerlinHeidelbergNew York (1981) Englische Ausgabe Schwab AJ High-Voltage MeasurementTechniques MIT Press (1972)

7 Asner AM Stoszligspannungs-Meszligtechnik Springer BerlinHeidelbergNew York (1974)8 Hylteacuten-Cavallius N The measurement of high impulse voltages and currents In Claudi A

Bergman A Berlijn S Haumlllstreuroom J (Hrsg) A Review of Seven Decades of Development SPBoras (2004)

9 Schon K Stoszligspannungs- und Stoszligstrommesstechnik Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2010) Englische Ausgabe Schon K High Impulse Voltage and Current MeasurementTechniques Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2013)

Literatur 5

Hohe Wechselspannungen und -stroumlme 2

Die Uumlbertragung elektrischer Energie erfolgt uumlberwiegend mit hohen Wechselspannungenso dass dieser Spannungsart ndash und damit auch den Wechselstreuroomen ndash besondere Bedeutungzukommt Jedes Betriebsmittel fuumlr die elektrische Energieversorgung wird vor demEinsatz auf seine Zuverlaumlssigkeit gepruumlft wobei die Pruumlf- und Messverfahren sowieAnforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome in nationalen und internationalenPruumlfvorschriften festgelegt sind HoheWechselspannungen sind auch deshalb wichtig weilsie zur Erzeugung von Gleich- und Stoszligspannungen sowie fuumlr zahlreiche Anwendungen inPhysik und Technik beneurootigt werden Das Kapitel stellt die genormten Messgreurooszligen undMessverfahren vor geht kurz auf die hauptsaumlchlich verwendeten Spannungs- und Strom-erzeuger ein und befasst sich ausfuumlhrlich mit den Messsystemen und Messgeraumlten dieinzwischen weitgehend in digitaler Ausfuumlhrung mit rechnergestuumltzter Datenverarbeitungeingesetzt werden

21 Wechselspannungen

Die Pruumlf- und Messverfahren fuumlr Betriebsmittel der elektrischen Energieuumlbertragung ein-schlieszliglich der Anforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome sind in nationalenund internationalen Pruumlfvorschriften festgelegt [1ndash5] Hohe Wechselspannungen habenauch deshalb eine besondere Bedeutung da sie die Grundlage zur Erzeugung von Gleich-und Stoszligspannungen darstellen Alle Spannungsformen werden auszliger in der Energiever-sorgung auch fuumlr zahlreiche Aufgaben in Physik und Technik eingesetzt Fuumlr die imNiederspannungsbereich verwendeten Geraumlte mit Bemessungsspannungen von nicht mehrals 1 kV gelten besondere von den Hochspannungspruumlfvorschriften sinngemaumlszlig abgeleitetePruumlfvorschriften [6]

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_2

7

Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

ffiffiffi2

p eth22THORN

Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

u2dt

vuuut eth23THORN

mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

ucirc-

0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth24THORN

der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

i( t)

icirc

ts0

1

ab

2

t

i(t)icirc

0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

725 Effektive Bitzahl 242726 Signalsteilheit und Abtastfehler 244727 Rauschen und Jitter des AD-Wandlers 245728 Sprungantwort des Digitalrecorders 246729 Elektromagnetische Steuroorbeeinflussung 248

73 Software zur Datenauswertung 249731 Preuroufung der Auswertesoftware mit dem TDG 250

74 Kalibriergeneratoren 25175 Anforderungen an Messgeraumlte Software und Kalibratoren 253Literatur 256

8 Darstellung von Impulsen im Zeit- und Frequenzbereich 25981 Analytische Darstellung von Stoszligspannungen 259

811 Mathematischer und virtueller Nullpunkt 263812 Varianten der Stoszligspannung 264813 Parameter von Stoszligspannungen 265814 Spektrum von Stoszligspannungen 266

82 Analytische Darstellung von Stoszligstreuroomen 269821 Bestimmung der Schaltkreiselemente 272822 Spektrum von exponentiellen Stoszligstreuroomen 273

83 Analytische Darstellung von Kurzzeitwechselstreuroomen 273

9 Uumlbertragungsverhalten linearer Systeme Faltung und Entfaltung 27591 Sprungantwort eines Systems 27692 Faltungsintegral und Faltungsalgorithmus 27793 Fourier-Transformation und Uumlbertragungsfunktion 27994 Laplace-Transformation 28295 Eigenschaften von RC- und RLC-Gliedern 284

951 Sprungantwort eines Tiefpasses 284952 Sprungantwort eines Schwingkreises 285953 Uumlbertragungsfunktion von Tiefpass und Schwingkreis 287

96 Antwortzeit Anstiegszeit und Bandbreite 28897 Beispiele feurour die Faltung 291

971 Keilstoszligspannung auf RC-Glied 291972 Keilstoszligspannung auf RLC-Glied 294973 Stoszligspannung auf RC-Glied 295974 Antwortfehler und Fehlerdiagramm 296

98 Experimentelle Sprungantwort 300981 Auswertung der experimentellen Sprungantwort 301982 Antwortparameter der Sprungantwort 301983 Messschaltungen feurour die Sprungantwort 304984 Erzeugung von Sprungspannungen 306

xvi Inhaltsverzeichnis

99 Ergaumlnzende Betrachtungen zum Uumlbertragungsverhalten 310Literatur 313

10 Kalibrierung der Messsysteme 317101 Normung Akkreditierung und Reurouckfeurouhrung 317102 Kalibrierung im Allgemeinen 320103 Kalibrierung von Spannungsmesssystemen 321

1031 Vergleichsmessung mit Referenzsystem 3211032 Besonderheiten bei der Vergleichsmessung 3231033 Kalibrierung eines einzelnen Spannungsteilers 3241034 Festgesetzter Maszligstabsfaktor 325

10341 Vergleich eurouber den gesamten Spannungsbereich(Referenzverfahren) 326

10342 Vergleichsmessung eurouber einen begrenztenSpannungsbereich 327

10343 Kalibrierung der Komponenten(Alternativverfahren) 328

1035 Linearitaumltspreuroufung 3291036 Zeitparameter einer Stoszligspannung 3291037 Dynamisches Verhalten 3301038 Anforderungen an die Sprungantwort 3311039 Fehlerdiagramm feurour Scheitelwert und Zeitparameter 33310310 Einfluss benachbarter Objekte (Naumlheeffekt) 33510311 Kurz- und Langzeitverhalten 336

104 Kalibrierung von Strommesssystemen 3381041 Vergleichsmessung mit Referenzsystem bei Stoszligstrom 3381042 Linearitaumltspreuroufung 3401043 Alternativverfahren feurour Strommesssysteme 3401044 Dynamisches Verhalten 341

105 Kalibrierung von Digitalrecordern 3411051 Kalibrierung mit Exponentialimpulsen 3421052 Kalibrierung mit Sprungspannungen 3421053 Kalibrierung mit Sinusspannungen 343

Literatur 344

11 Kapazitaumlt und Verlustfaktor 347111 Grundlagen 347

1111 Verlustfaktor im Zeigerdiagramm 3481112 Ersatzschaltbilder feurour verlustbehaftetes Dielektrikum 350

112 Messverfahren feurour feste und fleuroussige Dielektrika 351

Inhaltsverzeichnis xvii

113 Messgeraumlte feurour C und tanδ 3521131 Schering-Messbreuroucke 3531132 Schering-Messbreuroucke mit Wagnerschem Hilfszweig 3551133 Messbreuroucke mit Stromkomparator 3571134 C-tanδ-Messgeraumlt mit digitaler Datenerfassung 358

114 Kalibrierung und Reurouckfeurouhrung 3591141 Kalibrierung von C-tanδ-Messgeraumlten 3601142 Verlustfaktornormale 3621143 Kryo-Verlustfaktornormal 364

115 Druckgaskondensatoren 3651151 Konstruktionen 3651152 Einfluss des Gasdrucks 3661153 Temperaturabhaumlngigkeit 3671154 Exzentrizitaumlt und Kapazitaumlt 3681155 Spannungsabhaumlngigkeit der Kapazitaumlt 3701156 Mechanische Eigenschwingung und

Resonanzfrequenz 37311561 Mechanische Eigenschwingung 37311562 Elektrische Resonanz 376

Literatur 377

12 Grundlagen der Teilentladungsmesstechnik 381121 Innere Teilentladungen bei Wechselspannung 382122 Eigenschaften von TE-Impulsen 385123 Scheinbare Ladung 388124 Abgeleitete TE-Messgreurooszligen 388125 TE-Messgeraumlte feurour die scheinbare Ladung 389

1251 Quasi-Integration durch Bandbegrenzung 39012511 Breitband-Messgeraumlt 39112512 Schmalband-Messgeraumlt 39312513 Funksteuroormessgeraumlt 394

1252 Integration der TE-Impulse im Zeitbereich 39412521 Elektronische Integrierschaltung 39512522 Digitale Messdatenerfassung numerische

Integration 3961253 Festlegung der Anzeige als Funktion f(N) 398

126 TE-Preuroufschaltungen nach IEC 60270 399127 Kalibrieren der Preurouf- und Messkreise nach IEC 60270 402

1271 Kalibrierimpulse 4021272 Kalibrieren des vollstaumlndigen Preurouf- und Messkreises 4061273 Genauigkeitsanforderungen 407

xviii Inhaltsverzeichnis

128 Visualisierung von TE-Impulsen 4081281 Phasenabhaumlngiges TE-Muster 4081282 Synchrone Mehrkanalmessung 409

129 Besondere Mess- und Nachweisverfahren 4131291 VHF- und UHF-Messverfahren 413

12911 UHF-Messverfahren feurour GIS 41412912 UHF-Messverfahren feurour Transformatoren 41612913 TE-Messsonde feurour schnelle Vor-Ort-Messung 417

1292 TE-Messverfahren feurour Kabel und Muffen 4191293 Akustische TE-Ortung 4231294 Optische TE-Messverfahren 4261295 Chemische Nachweisverfahren 428

1210 Teilentladungen bei Gleichspannung 4291211 Teilentladungen bei Stoszligspannung 431Literatur 433

13 Bestimmung von Messunsicherheiten 441131 Der GUM 441

1311 Grundkonzept des GUM 4421312 Modellfunktion einer Messung 4431313 Ermittlungsmethode vom Typ A 4451314 Ermittlungsmethode vom Typ B 4461315 Beigeordnete Standardmessunsicherheit 4491316 Erweiterte Messunsicherheit 4511317 Effektiver Freiheitsgrad 4521318 Messunsicherheitsbudget 4531319 Angabe des vollstaumlndigen Messergebnisses 453

132 Abschlieszligende Bemerkungen 453Literatur 455

Anhang A Fourier- und Laplace-Transformation 457

Anhang B Beispiele zur Bestimmung von Messunsicherheiten 463

Sachverzeichnis 473

Inhaltsverzeichnis xix

Einleitung 1

Die Uumlbertragung elektrischer Energie vom Erzeuger zu den Ballungszentren erfolgt vor-wiegend uumlber Freileitungen auf hohem Potential um die Leitungsstreuroome und Uumlber-tragungsverluste gering zu halten In den Ballungszentren selbst wird die Energieweiter verteilt uumlber erdverlegte Hochspannungskabel oder gasisolierte Schaltanlagen(GIS) und Leitungen (GIL) Weltweit uumlblich ist die Energieuumlbertragung mit dreiphasigenWechselspannungen die sich mit Leistungstransformatoren auf die gewuumlnschten Span-nungsebenen hinauf und herunter transformieren lassen Die heuroochsten Spannungsebenenfuumlr die Energieuumlbertragung sind 400 kV in Europa 750 kV in Nordamerika und 1000 kV inAsien Die Frequenz der annaumlhend sinusfeuroormigenWechselspannung betraumlgt 50 Hz in Europaund einer Vielzahl von Laumlndern gegenuumlber 60 Hz in Nord- Mittel- und Teilen vonSuumldamerika Die Deutsche Bahn betreibt ein eigenes Versorgungsnetz mit einphasigerWechselspannung von 110 kV und einer Frequenz von 167 Hz Weiterhin existiert eineVielzahl lokaler Versorgungsnetze fuumlr regionale Bahnen mit unterschiedlichen FrequenzenHohe Wechselspannungen werden auch fuumlr andere Bereiche von Physik und Technikbeneurootigt hauptsaumlchlich in Geraumlten und Anlagen zur Erzeugung von Gleichspannungen durchGleichrichtung

Die Uumlbertragung elektrischer Energie uumlber Entfernungen von mehr als 700 km erfolgtvorteilhaft bei Gleichspannung da hierbei geringere Uumlbertragungsverluste als bei Wechsel-spannung auftreten und greurooszligere Leistungen uumlbertragbar sind Die Spannungen bei der

Hochspannungsgleichstromeuroubertragung (HGeuroU ) betragen in der Regel bis zu 500 kV inAsien sind sogar Anlagen mit maximal 800 kV im Betrieb oder geplant Aber auch kurzeUumlbertragungsstrecken (HGUuml-Kurzkupplungen) zur Verbindung zweier Wechselspannungs-netze mit nicht synchroner Netzfrequenz werden eingesetzt HGUuml-Anlagen findet man auchbei See- oder Erdkabeln mit einer Laumlnge von bis zumehreren 100 kmWeiterhin sei auf die inDeutschland vorgenommene Energiewende hingewiesen bei der zukuumlnftig die durch Wind-kraft im Norden gewonnene Energie uumlber Gleichstromtrassen in die suumldlichen Landesteile

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_1

1

gebracht wird Schlieszliglich werden in einer futuristisch anmutenden Planungsstudie dietechnischen wirtschaftlichen und politischen Voraussetzungen untersucht um die in derSahara in Nordafrika mit Fotovoltaik-Anlagen aufgefangene Sonnenenergie uumlber HGUuml-Trassen nach Europa zu transportieren

Hohe Gleichspannungen werden bei einer Vielzahl weiterer Anwendungen eingesetztz B in Reuroontgenanlagen Staubfilteranlagen Beschichtungs- und Lackieranlagen bei derHerstellung von Aluminium usw Mit elektrostatischen Bandgeneratoren nach van deGraaff lassen sich besonders hohe und oberschwingungsfreie Gleichspannungen von biszu 25 MV erzeugen die jedoch nur mit geringen Stromstaumlrken von einigen Milliamperebelastbar sind und daher fuumlr die elektrische Energieuumlbertragung nicht in Frage kommen Siewerden vorwiegend in Beschleunigeranlagen fuumlr kernphysikalische Grundlagenuntersu-chungen verwendet

In den Betriebsanlagen zur Uumlbertragung und Verteilung elektrischer Energie bei Hoch-

spannung keuroonnen transiente euroUberspannungen mit Scheitelwerten von weit mehr als 1 MVentstehen die damit greurooszliger als die maximalen Uumlbertragungsspannungen bei Gleich- undWechselstrom sind Ursache der Uumlberspannungen sind direkte oder indirekte Blitzeinschleuroageauf Freileitungen oder in Freiluftschaltanlagen Kurzschluumlsse oder Uumlberschlaumlge durch Ver-sagen der elektrischen Isolierung Schaltvorgaumlnge in Umspannwerken und das Ansprechenvon Uumlberspannungsableitern Die transienten Spannungen haben Anstiegszeiten vorwiegendim Bereich von Mikrosekunden bis Millisekunden Bei Uumlber- oder Durchschlaumlgen und beimAnsprechen von Uumlberspannungsableitern kann der Spannungszusammenbruch sehr schnellerfolgen mit Abfallzeiten unter 1 μs Extrem kurze Zeiten im Bereich von wenigen 100 ns bishinunter zu 1 ns treten bei Schalthandlungen und Uumlberschlaumlgen in gasisolierten Schaltanla-gen auf Auch im Niederspannungsnetz keuroonnen beim Ein- und Ausschalten elektrischerGeraumlte transiente Spannungen von mehr als 1 kV auftreten die die Geraumlte in ihrer Funkti-onsweise beeinflussen oder sogar zersteurooren keuroonnen

Die in der Energieversorgung eingesetzten Betriebsmittel sind ebenfalls hohen Gleich-und Wechselstreuroomen ausgesetzt zum Beispiel bei Kurzschluumlssen im VersorgungsnetzDabei kann es zur Uumlberlagerung einer Gleichstromkomponente kommen wodurch derKurzschlusswechselstrom kurzzeitig einen Scheitelwert von 200 kA und mehr erreichtTransiente Ausgleichsstreuroome keuroonnen durch direkte oder indirekte Einwirkung vonBlitzentladungen entstehen mit Scheitelwerten im Bereich von 100 kA und Anstiegszeitenvon 1 μs Erfolgt der Blitzeinschlag in eine Freileitung breiten sich die Stromimpulse nachbeiden Seiten der Leitung aus und verursachen an den Betriebsmitteln am Leitungsendehohe transiente Spannungen die sich der Betriebswechselspannung des Netzes uumlberlagernZum Schutz der Betriebsmittel werden daher Uumlberspannungsableiter eingesetzt BeimAnsprechen der Ableiter keuroonnen sich auch die an der Betriebswechselspannung liegendenLeitungen entladen Die Ableiter werden dadurch mit einem annaumlhernd rechteckfeuroormigenStromimpuls mit einer Zeitdauer im Bereich von 1 ms beansprucht

Auch in anderen Bereichen von Physik und Technik treten hohe impulsfeuroormige Span-nungen und Streuroome mit Anstiegszeiten im Mikro- und Nanosekundenbereich auf oder sindfuumlr bestimmte Anwendungen von Nutzen wie die folgenden Beispiele zeigen In der

2 1 Einleitung

Plasmaphysik werden damit extrem groszlige Magnetfelder zum kurzzeitigen Einschluss vonPlasmen erzeugt Bei elektrischen Punktschweiszligungen erreichen die Impulsstreuroome Schei-telwerte von bis zu 200 kA Elektronische Zuumlndsysteme fuumlr Verbrennungsmotoren erzeu-gen Impulsspannungen mit Scheitelwerten von maximal 30 kV In der Leistungselektroniktreten Impulsspannungen und -streuroome von mehreren 10 kV und bis zu 10 kA auf oderwerden zur Pruumlfung beneurootigt z B fuumlr Solarmodule Elektrizitaumltszaumlhler werden mitStoszligstreuroomen die aus einer netzfrequenten Sinushalbschwingung mit Amplituden vonmehreren Kiloampere bestehen gepruumlft In der Medizintechnik wird durch Umwandlungin akustische Stoszligwellen eine Zertruumlmmerung von Nieren- und Gallensteinen sowie vonKalkablagerungen in Gelenken erzielt Die Wirkung von Elektroimpulswaffen beruht aufSpannungsimpulsen die das Nervensystem des Getroffenen fuumlr eine begrenzte Zeit laumlh-men Schlieszliglich sei auf die vielfaumlltigen Anwendungen bei Untersuchungen zur elektro-magnetischen Vertraumlglichkeit von elektronischen Geraumlten bis hin zu sehr komplexenSystemen wie sie z B Flugzeuge darstellen verwiesen

Die Isolierung der Betriebsmittel wird durch die im Betrieb auftretenden Spannungenund Streuroome einer starken Beanspruchung unterzogen die die Lebensdauer beeinflusst DieKenntnis uumlber die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der verwendeten festenfluumlssigen und gasfeuroormigen Isolierstoffe ist daher ein wichtiger Teil der Hochspannungs-technik Wenn bei der Herstellung eines Betriebsmittels Fehler in der Isolierung auftretenz B bedingt durch Gaseinschluumlsse keuroonnen oberhalb einer bestimmten EinsetzspannungTeilentladungen entstehen Bei laumlngerer Einwirkung der Teilentladungen auf die umge-bende Isolierung kann es zu einer allmaumlhlichen Schaumldigung und schlieszliglich zum vollstaumln-digen Ausfall des Betriebsmittels kommen

Die Zuverlaumlssigkeit der elektrischen Energieversorgung ist eine wichtige Voraussetzungfuumlr eine florierende Wirtschaft in jedem Land und fuumlr das Wohlergehen der BeveuroolkerungJedes Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung wird daher vor seinem Einsatzeiner Reihe von Abnahmepruumlfungen unterzogen Damit werden im Pruumlflabor gegebenen-falls auch als Vor-Ort-Preuroufung am Einsatzort des Betriebsmittels die elektrischen mecha-nischen und thermischen Beanspruchungen nachgebildet die im praktischen Einsatz desBetriebsmittels auftreten keuroonnen Hierzu geheurooren zum einen Pruumlfungen mit der demNetzbetrieb entsprechenden Spannungs- oder Stromart zum anderen Pruumlfungen mit im-pulsfeuroormigen Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroomen Letztere werden im deutschsprachigenRaum als Stoszligspannungen bzw Stoszligstreuroome bezeichnet die den im Betrieb auftretendentransienten Spannungen und Streuroomen entsprechen Die Heuroohe der international genormtenPruumlfspannungen richtet sich nach der Bemessungsspannung der Betriebsmittel Mit sehrsteil ansteigenden Stoszligspannungen lassen sich zwischen platten- oder streifenfeuroormigenElektrodenanordnungen elektromagnetische Felder zur Vertraumlglichkeitspruumlfung elektroni-scher Geraumlte und Systeme erzeugen Auch die Wirkung des bei einer Nuklearexplosion ingroszliger Heuroohe ausgeleuroosten elektromagnetischen Impulses kann auf diese Weise simuliertwerden

Zusaumltzlich zu den Spannungspruumlfungen werden Betriebsmittel einer Teilentladungspruuml-fung im Pruumlflabor unterzogen Zwar ist das Phaumlnomen der Teilentladungen sehr vielschichtig

Einleitung 3

und noch nicht restlos geklaumlrt jedoch weiszlig man auf Grund jahrzehntelanger Erfahrungdass bei Uumlberschreiten einer fuumlr jedes Betriebsmittel individuellen Teilentladungsstaumlrkedie Gefahr einer langfristigen Schaumldigung der Isolierung besteht und das Betriebsmittelvorzeitig ausfaumlllt Zunehmend findet daher ein Online-Monitoring zur permanenten Uumlber-wachung der Teilentladungen statt um rechtzeitig einen meurooglichen Ausfall des Betriebs-mittels zu erkennen Weiterhin werden die elektrischen und dielektrischen Eigenschaftender Hochspannungsisolierung uumlberpruumlft Hierzu geheurooren Messgreurooszligen wie Isolationswider-stand Leitfaumlhigkeit Kapazitaumlt und Verlustfaktor des Pruumlflings

Bei allen Pruumlfungen ist eine fundierte Messtechnik erforderlich sei es weil eine Uumlber-oder Unterbeanspruchung des Betriebsmittels oder Pruumlflings vermieden werden soll oderweil die Qualitaumlt einer Anwendung z B bei einer medizinischen Behandlung oder beimelektrischen Punktschweiszligen gewaumlhrleistet sein muss Die Messung hoher Spannungenund Streuroome von Teilentladungen und dielektrischen Eigenschaften der Isolierstoffe weisteine lange Tradition auf wobei zwei entscheidende Veraumlnderungen eingetreten sind Dieseit Jahrzehnten eingesetzten mechanischen Messgeraumlte und angewandten Messverfahrenwurden schon vor einiger Zeit durch die Verfuumlgbarkeit elektronischer Messgeraumlte weitge-hend abgeleuroost Die Einfuumlhrung der digitalen Messtechnik mit numerischer Datenverarbei-tung stellt eine weitere entscheidende Zaumlsur dar und bedeutet das Ende fuumlr die meistenanalogen Messschaltungen und Messgeraumlte

Die bei Pruumlfungen eingesetzten Messmittel muumlssen hinsichtlich ihrer Messrichtigkeituumlberpruumlft sein In diesem Zusammenhang stehen Begriffe und Inhalte wie Qualitaumltssiche-rung Kalibrierung Ruumlckfuumlhrung der Messungen auf die SI-Einheiten Messunsicherheitinternational anerkannte Pruumlfvorschriften akkreditierte Pruumlf- und Kalibrierlaboratorien

Die Hochspannungs- und Energietechnik wird in der Fachliteratur ausgiebig behandeltvor allem in den aktuellen Konferenzbaumlnden nationaler und internationaler Vortragsveran-staltungen z B bdquoInternational Symposium on High Voltage Engineeringldquo (ISH) Zusam-menfassende Darstellungen finden sich in einer Reihe von Fachbuumlchern in denen dieentsprechende Messtechnik allerdings nur kurz dargestellt wird [1ndash5] Zu einzelnen The-men kann der findige Leser uumlber die bekannten Suchmaschinen auch im Internet mehr oderweniger detaillierte Informationen erhalten Die Fachbuumlcher [6ndash8] die sich speziell mit derHochspannungsmesstechnik oder mit Teilgebieten befassen sind bereits mehrere Jahr-zehnte alt oder nur als unveraumlnderter Nachdruck aumllterer Ausgaben vorhanden

Ein Teilgebiet der Hochspannungsmesstechnik die Messung von Stoszligspannungen undStoszligstreuroomen wird unter Einbeziehung der aktuellen IEC-Pruumlfbestimmungen Kalibrier-verfahren und Unsicherheitsberechnung in dem 2010 herausgegebenen Fachbuch [9]behandelt das 2013 auch in englischer Sprache erschien Das vorliegende Fachbuch stellteine Uumlberarbeitung und Erweiterung des Inhalts dieses Buches dar Es umfasst nun dieMesstechnik fuumlr Gleich- Wechsel- Stoszligspannungen und die entsprechenden StreuroomeTeilentladungen sowie elektrische und dielektrische Messgreurooszligen bei Hochspannung

4 1 Einleitung

Das Buch ist aus der Absicht entstanden die alten aber heute noch guumlltigen Grundlagen derHochspannungsmesstechnik mit den neueren Entwicklungen zu ergaumlnzen die sich alsKonsequenz der verbesserten geraumltetechnischen Ausstattung Einfuumlhrung der analog-digi-talen Datenumwandlung numerischen Datenverarbeitung und den geaumlnderten Pruumlfnormenergeben haben

Literatur

1 Beyer M Boeck W Meurooller K Zaengl W Hochspannungstechnik Theoretische und prakti-sche Grundlagen fuumlr die Anwendung Springer BerlinHeidelbergNew York (1986)

2 Kind D Feser K Hochspannungsversuchstechnik 5 Aufl Friedr Vieweg amp Sohn Braun-schweigWiesbaden (1995) Englische Ausgabe Kind D Feser K High-Voltage Test Techni-ques 2 Aufl Butterworth Heinemann Oxford (2001)

3 Kuumlchler A Hochspannungstechnik Grundlagen ndash Technologie ndashAnwendungen Bd 3 Springer-Verlag BerlinHeidelberg (2009) Englische Ausgabe Kuumlchler A High Voltage EngineeringFundamentals ndash Technology ndash Applications Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York(2013)

4 Kuffel E Zaengl WS Kuffel J High Voltage Engineering ndash Fundamentals 2 Aufl ElsevierNewness Oxford (2000)

5 Hauschild W Lemke E High-Voltage Test and Measuring Techniques Springer HeidelbergNew YorkDordrechtLondon (2013)

6 Schwab AJ Hochspannungsmesstechnik Messgeraumlte und Messverfahren Bd 2 2 Aufl SpringerBerlinHeidelbergNew York (1981) Englische Ausgabe Schwab AJ High-Voltage MeasurementTechniques MIT Press (1972)

7 Asner AM Stoszligspannungs-Meszligtechnik Springer BerlinHeidelbergNew York (1974)8 Hylteacuten-Cavallius N The measurement of high impulse voltages and currents In Claudi A

Bergman A Berlijn S Haumlllstreuroom J (Hrsg) A Review of Seven Decades of Development SPBoras (2004)

9 Schon K Stoszligspannungs- und Stoszligstrommesstechnik Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2010) Englische Ausgabe Schon K High Impulse Voltage and Current MeasurementTechniques Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2013)

Literatur 5

Hohe Wechselspannungen und -stroumlme 2

Die Uumlbertragung elektrischer Energie erfolgt uumlberwiegend mit hohen Wechselspannungenso dass dieser Spannungsart ndash und damit auch den Wechselstreuroomen ndash besondere Bedeutungzukommt Jedes Betriebsmittel fuumlr die elektrische Energieversorgung wird vor demEinsatz auf seine Zuverlaumlssigkeit gepruumlft wobei die Pruumlf- und Messverfahren sowieAnforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome in nationalen und internationalenPruumlfvorschriften festgelegt sind HoheWechselspannungen sind auch deshalb wichtig weilsie zur Erzeugung von Gleich- und Stoszligspannungen sowie fuumlr zahlreiche Anwendungen inPhysik und Technik beneurootigt werden Das Kapitel stellt die genormten Messgreurooszligen undMessverfahren vor geht kurz auf die hauptsaumlchlich verwendeten Spannungs- und Strom-erzeuger ein und befasst sich ausfuumlhrlich mit den Messsystemen und Messgeraumlten dieinzwischen weitgehend in digitaler Ausfuumlhrung mit rechnergestuumltzter Datenverarbeitungeingesetzt werden

21 Wechselspannungen

Die Pruumlf- und Messverfahren fuumlr Betriebsmittel der elektrischen Energieuumlbertragung ein-schlieszliglich der Anforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome sind in nationalenund internationalen Pruumlfvorschriften festgelegt [1ndash5] Hohe Wechselspannungen habenauch deshalb eine besondere Bedeutung da sie die Grundlage zur Erzeugung von Gleich-und Stoszligspannungen darstellen Alle Spannungsformen werden auszliger in der Energiever-sorgung auch fuumlr zahlreiche Aufgaben in Physik und Technik eingesetzt Fuumlr die imNiederspannungsbereich verwendeten Geraumlte mit Bemessungsspannungen von nicht mehrals 1 kV gelten besondere von den Hochspannungspruumlfvorschriften sinngemaumlszlig abgeleitetePruumlfvorschriften [6]

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_2

7

Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

ffiffiffi2

p eth22THORN

Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

u2dt

vuuut eth23THORN

mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

ucirc-

0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth24THORN

der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

i( t)

icirc

ts0

1

ab

2

t

i(t)icirc

0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

99 Ergaumlnzende Betrachtungen zum Uumlbertragungsverhalten 310Literatur 313

10 Kalibrierung der Messsysteme 317101 Normung Akkreditierung und Reurouckfeurouhrung 317102 Kalibrierung im Allgemeinen 320103 Kalibrierung von Spannungsmesssystemen 321

1031 Vergleichsmessung mit Referenzsystem 3211032 Besonderheiten bei der Vergleichsmessung 3231033 Kalibrierung eines einzelnen Spannungsteilers 3241034 Festgesetzter Maszligstabsfaktor 325

10341 Vergleich eurouber den gesamten Spannungsbereich(Referenzverfahren) 326

10342 Vergleichsmessung eurouber einen begrenztenSpannungsbereich 327

10343 Kalibrierung der Komponenten(Alternativverfahren) 328

1035 Linearitaumltspreuroufung 3291036 Zeitparameter einer Stoszligspannung 3291037 Dynamisches Verhalten 3301038 Anforderungen an die Sprungantwort 3311039 Fehlerdiagramm feurour Scheitelwert und Zeitparameter 33310310 Einfluss benachbarter Objekte (Naumlheeffekt) 33510311 Kurz- und Langzeitverhalten 336

104 Kalibrierung von Strommesssystemen 3381041 Vergleichsmessung mit Referenzsystem bei Stoszligstrom 3381042 Linearitaumltspreuroufung 3401043 Alternativverfahren feurour Strommesssysteme 3401044 Dynamisches Verhalten 341

105 Kalibrierung von Digitalrecordern 3411051 Kalibrierung mit Exponentialimpulsen 3421052 Kalibrierung mit Sprungspannungen 3421053 Kalibrierung mit Sinusspannungen 343

Literatur 344

11 Kapazitaumlt und Verlustfaktor 347111 Grundlagen 347

1111 Verlustfaktor im Zeigerdiagramm 3481112 Ersatzschaltbilder feurour verlustbehaftetes Dielektrikum 350

112 Messverfahren feurour feste und fleuroussige Dielektrika 351

Inhaltsverzeichnis xvii

113 Messgeraumlte feurour C und tanδ 3521131 Schering-Messbreuroucke 3531132 Schering-Messbreuroucke mit Wagnerschem Hilfszweig 3551133 Messbreuroucke mit Stromkomparator 3571134 C-tanδ-Messgeraumlt mit digitaler Datenerfassung 358

114 Kalibrierung und Reurouckfeurouhrung 3591141 Kalibrierung von C-tanδ-Messgeraumlten 3601142 Verlustfaktornormale 3621143 Kryo-Verlustfaktornormal 364

115 Druckgaskondensatoren 3651151 Konstruktionen 3651152 Einfluss des Gasdrucks 3661153 Temperaturabhaumlngigkeit 3671154 Exzentrizitaumlt und Kapazitaumlt 3681155 Spannungsabhaumlngigkeit der Kapazitaumlt 3701156 Mechanische Eigenschwingung und

Resonanzfrequenz 37311561 Mechanische Eigenschwingung 37311562 Elektrische Resonanz 376

Literatur 377

12 Grundlagen der Teilentladungsmesstechnik 381121 Innere Teilentladungen bei Wechselspannung 382122 Eigenschaften von TE-Impulsen 385123 Scheinbare Ladung 388124 Abgeleitete TE-Messgreurooszligen 388125 TE-Messgeraumlte feurour die scheinbare Ladung 389

1251 Quasi-Integration durch Bandbegrenzung 39012511 Breitband-Messgeraumlt 39112512 Schmalband-Messgeraumlt 39312513 Funksteuroormessgeraumlt 394

1252 Integration der TE-Impulse im Zeitbereich 39412521 Elektronische Integrierschaltung 39512522 Digitale Messdatenerfassung numerische

Integration 3961253 Festlegung der Anzeige als Funktion f(N) 398

126 TE-Preuroufschaltungen nach IEC 60270 399127 Kalibrieren der Preurouf- und Messkreise nach IEC 60270 402

1271 Kalibrierimpulse 4021272 Kalibrieren des vollstaumlndigen Preurouf- und Messkreises 4061273 Genauigkeitsanforderungen 407

xviii Inhaltsverzeichnis

128 Visualisierung von TE-Impulsen 4081281 Phasenabhaumlngiges TE-Muster 4081282 Synchrone Mehrkanalmessung 409

129 Besondere Mess- und Nachweisverfahren 4131291 VHF- und UHF-Messverfahren 413

12911 UHF-Messverfahren feurour GIS 41412912 UHF-Messverfahren feurour Transformatoren 41612913 TE-Messsonde feurour schnelle Vor-Ort-Messung 417

1292 TE-Messverfahren feurour Kabel und Muffen 4191293 Akustische TE-Ortung 4231294 Optische TE-Messverfahren 4261295 Chemische Nachweisverfahren 428

1210 Teilentladungen bei Gleichspannung 4291211 Teilentladungen bei Stoszligspannung 431Literatur 433

13 Bestimmung von Messunsicherheiten 441131 Der GUM 441

1311 Grundkonzept des GUM 4421312 Modellfunktion einer Messung 4431313 Ermittlungsmethode vom Typ A 4451314 Ermittlungsmethode vom Typ B 4461315 Beigeordnete Standardmessunsicherheit 4491316 Erweiterte Messunsicherheit 4511317 Effektiver Freiheitsgrad 4521318 Messunsicherheitsbudget 4531319 Angabe des vollstaumlndigen Messergebnisses 453

132 Abschlieszligende Bemerkungen 453Literatur 455

Anhang A Fourier- und Laplace-Transformation 457

Anhang B Beispiele zur Bestimmung von Messunsicherheiten 463

Sachverzeichnis 473

Inhaltsverzeichnis xix

Einleitung 1

Die Uumlbertragung elektrischer Energie vom Erzeuger zu den Ballungszentren erfolgt vor-wiegend uumlber Freileitungen auf hohem Potential um die Leitungsstreuroome und Uumlber-tragungsverluste gering zu halten In den Ballungszentren selbst wird die Energieweiter verteilt uumlber erdverlegte Hochspannungskabel oder gasisolierte Schaltanlagen(GIS) und Leitungen (GIL) Weltweit uumlblich ist die Energieuumlbertragung mit dreiphasigenWechselspannungen die sich mit Leistungstransformatoren auf die gewuumlnschten Span-nungsebenen hinauf und herunter transformieren lassen Die heuroochsten Spannungsebenenfuumlr die Energieuumlbertragung sind 400 kV in Europa 750 kV in Nordamerika und 1000 kV inAsien Die Frequenz der annaumlhend sinusfeuroormigenWechselspannung betraumlgt 50 Hz in Europaund einer Vielzahl von Laumlndern gegenuumlber 60 Hz in Nord- Mittel- und Teilen vonSuumldamerika Die Deutsche Bahn betreibt ein eigenes Versorgungsnetz mit einphasigerWechselspannung von 110 kV und einer Frequenz von 167 Hz Weiterhin existiert eineVielzahl lokaler Versorgungsnetze fuumlr regionale Bahnen mit unterschiedlichen FrequenzenHohe Wechselspannungen werden auch fuumlr andere Bereiche von Physik und Technikbeneurootigt hauptsaumlchlich in Geraumlten und Anlagen zur Erzeugung von Gleichspannungen durchGleichrichtung

Die Uumlbertragung elektrischer Energie uumlber Entfernungen von mehr als 700 km erfolgtvorteilhaft bei Gleichspannung da hierbei geringere Uumlbertragungsverluste als bei Wechsel-spannung auftreten und greurooszligere Leistungen uumlbertragbar sind Die Spannungen bei der

Hochspannungsgleichstromeuroubertragung (HGeuroU ) betragen in der Regel bis zu 500 kV inAsien sind sogar Anlagen mit maximal 800 kV im Betrieb oder geplant Aber auch kurzeUumlbertragungsstrecken (HGUuml-Kurzkupplungen) zur Verbindung zweier Wechselspannungs-netze mit nicht synchroner Netzfrequenz werden eingesetzt HGUuml-Anlagen findet man auchbei See- oder Erdkabeln mit einer Laumlnge von bis zumehreren 100 kmWeiterhin sei auf die inDeutschland vorgenommene Energiewende hingewiesen bei der zukuumlnftig die durch Wind-kraft im Norden gewonnene Energie uumlber Gleichstromtrassen in die suumldlichen Landesteile

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_1

1

gebracht wird Schlieszliglich werden in einer futuristisch anmutenden Planungsstudie dietechnischen wirtschaftlichen und politischen Voraussetzungen untersucht um die in derSahara in Nordafrika mit Fotovoltaik-Anlagen aufgefangene Sonnenenergie uumlber HGUuml-Trassen nach Europa zu transportieren

Hohe Gleichspannungen werden bei einer Vielzahl weiterer Anwendungen eingesetztz B in Reuroontgenanlagen Staubfilteranlagen Beschichtungs- und Lackieranlagen bei derHerstellung von Aluminium usw Mit elektrostatischen Bandgeneratoren nach van deGraaff lassen sich besonders hohe und oberschwingungsfreie Gleichspannungen von biszu 25 MV erzeugen die jedoch nur mit geringen Stromstaumlrken von einigen Milliamperebelastbar sind und daher fuumlr die elektrische Energieuumlbertragung nicht in Frage kommen Siewerden vorwiegend in Beschleunigeranlagen fuumlr kernphysikalische Grundlagenuntersu-chungen verwendet

In den Betriebsanlagen zur Uumlbertragung und Verteilung elektrischer Energie bei Hoch-

spannung keuroonnen transiente euroUberspannungen mit Scheitelwerten von weit mehr als 1 MVentstehen die damit greurooszliger als die maximalen Uumlbertragungsspannungen bei Gleich- undWechselstrom sind Ursache der Uumlberspannungen sind direkte oder indirekte Blitzeinschleuroageauf Freileitungen oder in Freiluftschaltanlagen Kurzschluumlsse oder Uumlberschlaumlge durch Ver-sagen der elektrischen Isolierung Schaltvorgaumlnge in Umspannwerken und das Ansprechenvon Uumlberspannungsableitern Die transienten Spannungen haben Anstiegszeiten vorwiegendim Bereich von Mikrosekunden bis Millisekunden Bei Uumlber- oder Durchschlaumlgen und beimAnsprechen von Uumlberspannungsableitern kann der Spannungszusammenbruch sehr schnellerfolgen mit Abfallzeiten unter 1 μs Extrem kurze Zeiten im Bereich von wenigen 100 ns bishinunter zu 1 ns treten bei Schalthandlungen und Uumlberschlaumlgen in gasisolierten Schaltanla-gen auf Auch im Niederspannungsnetz keuroonnen beim Ein- und Ausschalten elektrischerGeraumlte transiente Spannungen von mehr als 1 kV auftreten die die Geraumlte in ihrer Funkti-onsweise beeinflussen oder sogar zersteurooren keuroonnen

Die in der Energieversorgung eingesetzten Betriebsmittel sind ebenfalls hohen Gleich-und Wechselstreuroomen ausgesetzt zum Beispiel bei Kurzschluumlssen im VersorgungsnetzDabei kann es zur Uumlberlagerung einer Gleichstromkomponente kommen wodurch derKurzschlusswechselstrom kurzzeitig einen Scheitelwert von 200 kA und mehr erreichtTransiente Ausgleichsstreuroome keuroonnen durch direkte oder indirekte Einwirkung vonBlitzentladungen entstehen mit Scheitelwerten im Bereich von 100 kA und Anstiegszeitenvon 1 μs Erfolgt der Blitzeinschlag in eine Freileitung breiten sich die Stromimpulse nachbeiden Seiten der Leitung aus und verursachen an den Betriebsmitteln am Leitungsendehohe transiente Spannungen die sich der Betriebswechselspannung des Netzes uumlberlagernZum Schutz der Betriebsmittel werden daher Uumlberspannungsableiter eingesetzt BeimAnsprechen der Ableiter keuroonnen sich auch die an der Betriebswechselspannung liegendenLeitungen entladen Die Ableiter werden dadurch mit einem annaumlhernd rechteckfeuroormigenStromimpuls mit einer Zeitdauer im Bereich von 1 ms beansprucht

Auch in anderen Bereichen von Physik und Technik treten hohe impulsfeuroormige Span-nungen und Streuroome mit Anstiegszeiten im Mikro- und Nanosekundenbereich auf oder sindfuumlr bestimmte Anwendungen von Nutzen wie die folgenden Beispiele zeigen In der

2 1 Einleitung

Plasmaphysik werden damit extrem groszlige Magnetfelder zum kurzzeitigen Einschluss vonPlasmen erzeugt Bei elektrischen Punktschweiszligungen erreichen die Impulsstreuroome Schei-telwerte von bis zu 200 kA Elektronische Zuumlndsysteme fuumlr Verbrennungsmotoren erzeu-gen Impulsspannungen mit Scheitelwerten von maximal 30 kV In der Leistungselektroniktreten Impulsspannungen und -streuroome von mehreren 10 kV und bis zu 10 kA auf oderwerden zur Pruumlfung beneurootigt z B fuumlr Solarmodule Elektrizitaumltszaumlhler werden mitStoszligstreuroomen die aus einer netzfrequenten Sinushalbschwingung mit Amplituden vonmehreren Kiloampere bestehen gepruumlft In der Medizintechnik wird durch Umwandlungin akustische Stoszligwellen eine Zertruumlmmerung von Nieren- und Gallensteinen sowie vonKalkablagerungen in Gelenken erzielt Die Wirkung von Elektroimpulswaffen beruht aufSpannungsimpulsen die das Nervensystem des Getroffenen fuumlr eine begrenzte Zeit laumlh-men Schlieszliglich sei auf die vielfaumlltigen Anwendungen bei Untersuchungen zur elektro-magnetischen Vertraumlglichkeit von elektronischen Geraumlten bis hin zu sehr komplexenSystemen wie sie z B Flugzeuge darstellen verwiesen

Die Isolierung der Betriebsmittel wird durch die im Betrieb auftretenden Spannungenund Streuroome einer starken Beanspruchung unterzogen die die Lebensdauer beeinflusst DieKenntnis uumlber die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der verwendeten festenfluumlssigen und gasfeuroormigen Isolierstoffe ist daher ein wichtiger Teil der Hochspannungs-technik Wenn bei der Herstellung eines Betriebsmittels Fehler in der Isolierung auftretenz B bedingt durch Gaseinschluumlsse keuroonnen oberhalb einer bestimmten EinsetzspannungTeilentladungen entstehen Bei laumlngerer Einwirkung der Teilentladungen auf die umge-bende Isolierung kann es zu einer allmaumlhlichen Schaumldigung und schlieszliglich zum vollstaumln-digen Ausfall des Betriebsmittels kommen

Die Zuverlaumlssigkeit der elektrischen Energieversorgung ist eine wichtige Voraussetzungfuumlr eine florierende Wirtschaft in jedem Land und fuumlr das Wohlergehen der BeveuroolkerungJedes Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung wird daher vor seinem Einsatzeiner Reihe von Abnahmepruumlfungen unterzogen Damit werden im Pruumlflabor gegebenen-falls auch als Vor-Ort-Preuroufung am Einsatzort des Betriebsmittels die elektrischen mecha-nischen und thermischen Beanspruchungen nachgebildet die im praktischen Einsatz desBetriebsmittels auftreten keuroonnen Hierzu geheurooren zum einen Pruumlfungen mit der demNetzbetrieb entsprechenden Spannungs- oder Stromart zum anderen Pruumlfungen mit im-pulsfeuroormigen Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroomen Letztere werden im deutschsprachigenRaum als Stoszligspannungen bzw Stoszligstreuroome bezeichnet die den im Betrieb auftretendentransienten Spannungen und Streuroomen entsprechen Die Heuroohe der international genormtenPruumlfspannungen richtet sich nach der Bemessungsspannung der Betriebsmittel Mit sehrsteil ansteigenden Stoszligspannungen lassen sich zwischen platten- oder streifenfeuroormigenElektrodenanordnungen elektromagnetische Felder zur Vertraumlglichkeitspruumlfung elektroni-scher Geraumlte und Systeme erzeugen Auch die Wirkung des bei einer Nuklearexplosion ingroszliger Heuroohe ausgeleuroosten elektromagnetischen Impulses kann auf diese Weise simuliertwerden

Zusaumltzlich zu den Spannungspruumlfungen werden Betriebsmittel einer Teilentladungspruuml-fung im Pruumlflabor unterzogen Zwar ist das Phaumlnomen der Teilentladungen sehr vielschichtig

Einleitung 3

und noch nicht restlos geklaumlrt jedoch weiszlig man auf Grund jahrzehntelanger Erfahrungdass bei Uumlberschreiten einer fuumlr jedes Betriebsmittel individuellen Teilentladungsstaumlrkedie Gefahr einer langfristigen Schaumldigung der Isolierung besteht und das Betriebsmittelvorzeitig ausfaumlllt Zunehmend findet daher ein Online-Monitoring zur permanenten Uumlber-wachung der Teilentladungen statt um rechtzeitig einen meurooglichen Ausfall des Betriebs-mittels zu erkennen Weiterhin werden die elektrischen und dielektrischen Eigenschaftender Hochspannungsisolierung uumlberpruumlft Hierzu geheurooren Messgreurooszligen wie Isolationswider-stand Leitfaumlhigkeit Kapazitaumlt und Verlustfaktor des Pruumlflings

Bei allen Pruumlfungen ist eine fundierte Messtechnik erforderlich sei es weil eine Uumlber-oder Unterbeanspruchung des Betriebsmittels oder Pruumlflings vermieden werden soll oderweil die Qualitaumlt einer Anwendung z B bei einer medizinischen Behandlung oder beimelektrischen Punktschweiszligen gewaumlhrleistet sein muss Die Messung hoher Spannungenund Streuroome von Teilentladungen und dielektrischen Eigenschaften der Isolierstoffe weisteine lange Tradition auf wobei zwei entscheidende Veraumlnderungen eingetreten sind Dieseit Jahrzehnten eingesetzten mechanischen Messgeraumlte und angewandten Messverfahrenwurden schon vor einiger Zeit durch die Verfuumlgbarkeit elektronischer Messgeraumlte weitge-hend abgeleuroost Die Einfuumlhrung der digitalen Messtechnik mit numerischer Datenverarbei-tung stellt eine weitere entscheidende Zaumlsur dar und bedeutet das Ende fuumlr die meistenanalogen Messschaltungen und Messgeraumlte

Die bei Pruumlfungen eingesetzten Messmittel muumlssen hinsichtlich ihrer Messrichtigkeituumlberpruumlft sein In diesem Zusammenhang stehen Begriffe und Inhalte wie Qualitaumltssiche-rung Kalibrierung Ruumlckfuumlhrung der Messungen auf die SI-Einheiten Messunsicherheitinternational anerkannte Pruumlfvorschriften akkreditierte Pruumlf- und Kalibrierlaboratorien

Die Hochspannungs- und Energietechnik wird in der Fachliteratur ausgiebig behandeltvor allem in den aktuellen Konferenzbaumlnden nationaler und internationaler Vortragsveran-staltungen z B bdquoInternational Symposium on High Voltage Engineeringldquo (ISH) Zusam-menfassende Darstellungen finden sich in einer Reihe von Fachbuumlchern in denen dieentsprechende Messtechnik allerdings nur kurz dargestellt wird [1ndash5] Zu einzelnen The-men kann der findige Leser uumlber die bekannten Suchmaschinen auch im Internet mehr oderweniger detaillierte Informationen erhalten Die Fachbuumlcher [6ndash8] die sich speziell mit derHochspannungsmesstechnik oder mit Teilgebieten befassen sind bereits mehrere Jahr-zehnte alt oder nur als unveraumlnderter Nachdruck aumllterer Ausgaben vorhanden

Ein Teilgebiet der Hochspannungsmesstechnik die Messung von Stoszligspannungen undStoszligstreuroomen wird unter Einbeziehung der aktuellen IEC-Pruumlfbestimmungen Kalibrier-verfahren und Unsicherheitsberechnung in dem 2010 herausgegebenen Fachbuch [9]behandelt das 2013 auch in englischer Sprache erschien Das vorliegende Fachbuch stellteine Uumlberarbeitung und Erweiterung des Inhalts dieses Buches dar Es umfasst nun dieMesstechnik fuumlr Gleich- Wechsel- Stoszligspannungen und die entsprechenden StreuroomeTeilentladungen sowie elektrische und dielektrische Messgreurooszligen bei Hochspannung

4 1 Einleitung

Das Buch ist aus der Absicht entstanden die alten aber heute noch guumlltigen Grundlagen derHochspannungsmesstechnik mit den neueren Entwicklungen zu ergaumlnzen die sich alsKonsequenz der verbesserten geraumltetechnischen Ausstattung Einfuumlhrung der analog-digi-talen Datenumwandlung numerischen Datenverarbeitung und den geaumlnderten Pruumlfnormenergeben haben

Literatur

1 Beyer M Boeck W Meurooller K Zaengl W Hochspannungstechnik Theoretische und prakti-sche Grundlagen fuumlr die Anwendung Springer BerlinHeidelbergNew York (1986)

2 Kind D Feser K Hochspannungsversuchstechnik 5 Aufl Friedr Vieweg amp Sohn Braun-schweigWiesbaden (1995) Englische Ausgabe Kind D Feser K High-Voltage Test Techni-ques 2 Aufl Butterworth Heinemann Oxford (2001)

3 Kuumlchler A Hochspannungstechnik Grundlagen ndash Technologie ndashAnwendungen Bd 3 Springer-Verlag BerlinHeidelberg (2009) Englische Ausgabe Kuumlchler A High Voltage EngineeringFundamentals ndash Technology ndash Applications Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York(2013)

4 Kuffel E Zaengl WS Kuffel J High Voltage Engineering ndash Fundamentals 2 Aufl ElsevierNewness Oxford (2000)

5 Hauschild W Lemke E High-Voltage Test and Measuring Techniques Springer HeidelbergNew YorkDordrechtLondon (2013)

6 Schwab AJ Hochspannungsmesstechnik Messgeraumlte und Messverfahren Bd 2 2 Aufl SpringerBerlinHeidelbergNew York (1981) Englische Ausgabe Schwab AJ High-Voltage MeasurementTechniques MIT Press (1972)

7 Asner AM Stoszligspannungs-Meszligtechnik Springer BerlinHeidelbergNew York (1974)8 Hylteacuten-Cavallius N The measurement of high impulse voltages and currents In Claudi A

Bergman A Berlijn S Haumlllstreuroom J (Hrsg) A Review of Seven Decades of Development SPBoras (2004)

9 Schon K Stoszligspannungs- und Stoszligstrommesstechnik Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2010) Englische Ausgabe Schon K High Impulse Voltage and Current MeasurementTechniques Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2013)

Literatur 5

Hohe Wechselspannungen und -stroumlme 2

Die Uumlbertragung elektrischer Energie erfolgt uumlberwiegend mit hohen Wechselspannungenso dass dieser Spannungsart ndash und damit auch den Wechselstreuroomen ndash besondere Bedeutungzukommt Jedes Betriebsmittel fuumlr die elektrische Energieversorgung wird vor demEinsatz auf seine Zuverlaumlssigkeit gepruumlft wobei die Pruumlf- und Messverfahren sowieAnforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome in nationalen und internationalenPruumlfvorschriften festgelegt sind HoheWechselspannungen sind auch deshalb wichtig weilsie zur Erzeugung von Gleich- und Stoszligspannungen sowie fuumlr zahlreiche Anwendungen inPhysik und Technik beneurootigt werden Das Kapitel stellt die genormten Messgreurooszligen undMessverfahren vor geht kurz auf die hauptsaumlchlich verwendeten Spannungs- und Strom-erzeuger ein und befasst sich ausfuumlhrlich mit den Messsystemen und Messgeraumlten dieinzwischen weitgehend in digitaler Ausfuumlhrung mit rechnergestuumltzter Datenverarbeitungeingesetzt werden

21 Wechselspannungen

Die Pruumlf- und Messverfahren fuumlr Betriebsmittel der elektrischen Energieuumlbertragung ein-schlieszliglich der Anforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome sind in nationalenund internationalen Pruumlfvorschriften festgelegt [1ndash5] Hohe Wechselspannungen habenauch deshalb eine besondere Bedeutung da sie die Grundlage zur Erzeugung von Gleich-und Stoszligspannungen darstellen Alle Spannungsformen werden auszliger in der Energiever-sorgung auch fuumlr zahlreiche Aufgaben in Physik und Technik eingesetzt Fuumlr die imNiederspannungsbereich verwendeten Geraumlte mit Bemessungsspannungen von nicht mehrals 1 kV gelten besondere von den Hochspannungspruumlfvorschriften sinngemaumlszlig abgeleitetePruumlfvorschriften [6]

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7

Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

ffiffiffi2

p eth22THORN

Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

u2dt

vuuut eth23THORN

mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

ucirc-

0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth24THORN

der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

i( t)

icirc

ts0

1

ab

2

t

i(t)icirc

0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

113 Messgeraumlte feurour C und tanδ 3521131 Schering-Messbreuroucke 3531132 Schering-Messbreuroucke mit Wagnerschem Hilfszweig 3551133 Messbreuroucke mit Stromkomparator 3571134 C-tanδ-Messgeraumlt mit digitaler Datenerfassung 358

114 Kalibrierung und Reurouckfeurouhrung 3591141 Kalibrierung von C-tanδ-Messgeraumlten 3601142 Verlustfaktornormale 3621143 Kryo-Verlustfaktornormal 364

115 Druckgaskondensatoren 3651151 Konstruktionen 3651152 Einfluss des Gasdrucks 3661153 Temperaturabhaumlngigkeit 3671154 Exzentrizitaumlt und Kapazitaumlt 3681155 Spannungsabhaumlngigkeit der Kapazitaumlt 3701156 Mechanische Eigenschwingung und

Resonanzfrequenz 37311561 Mechanische Eigenschwingung 37311562 Elektrische Resonanz 376

Literatur 377

12 Grundlagen der Teilentladungsmesstechnik 381121 Innere Teilentladungen bei Wechselspannung 382122 Eigenschaften von TE-Impulsen 385123 Scheinbare Ladung 388124 Abgeleitete TE-Messgreurooszligen 388125 TE-Messgeraumlte feurour die scheinbare Ladung 389

1251 Quasi-Integration durch Bandbegrenzung 39012511 Breitband-Messgeraumlt 39112512 Schmalband-Messgeraumlt 39312513 Funksteuroormessgeraumlt 394

1252 Integration der TE-Impulse im Zeitbereich 39412521 Elektronische Integrierschaltung 39512522 Digitale Messdatenerfassung numerische

Integration 3961253 Festlegung der Anzeige als Funktion f(N) 398

126 TE-Preuroufschaltungen nach IEC 60270 399127 Kalibrieren der Preurouf- und Messkreise nach IEC 60270 402

1271 Kalibrierimpulse 4021272 Kalibrieren des vollstaumlndigen Preurouf- und Messkreises 4061273 Genauigkeitsanforderungen 407

xviii Inhaltsverzeichnis

128 Visualisierung von TE-Impulsen 4081281 Phasenabhaumlngiges TE-Muster 4081282 Synchrone Mehrkanalmessung 409

129 Besondere Mess- und Nachweisverfahren 4131291 VHF- und UHF-Messverfahren 413

12911 UHF-Messverfahren feurour GIS 41412912 UHF-Messverfahren feurour Transformatoren 41612913 TE-Messsonde feurour schnelle Vor-Ort-Messung 417

1292 TE-Messverfahren feurour Kabel und Muffen 4191293 Akustische TE-Ortung 4231294 Optische TE-Messverfahren 4261295 Chemische Nachweisverfahren 428

1210 Teilentladungen bei Gleichspannung 4291211 Teilentladungen bei Stoszligspannung 431Literatur 433

13 Bestimmung von Messunsicherheiten 441131 Der GUM 441

1311 Grundkonzept des GUM 4421312 Modellfunktion einer Messung 4431313 Ermittlungsmethode vom Typ A 4451314 Ermittlungsmethode vom Typ B 4461315 Beigeordnete Standardmessunsicherheit 4491316 Erweiterte Messunsicherheit 4511317 Effektiver Freiheitsgrad 4521318 Messunsicherheitsbudget 4531319 Angabe des vollstaumlndigen Messergebnisses 453

132 Abschlieszligende Bemerkungen 453Literatur 455

Anhang A Fourier- und Laplace-Transformation 457

Anhang B Beispiele zur Bestimmung von Messunsicherheiten 463

Sachverzeichnis 473

Inhaltsverzeichnis xix

Einleitung 1

Die Uumlbertragung elektrischer Energie vom Erzeuger zu den Ballungszentren erfolgt vor-wiegend uumlber Freileitungen auf hohem Potential um die Leitungsstreuroome und Uumlber-tragungsverluste gering zu halten In den Ballungszentren selbst wird die Energieweiter verteilt uumlber erdverlegte Hochspannungskabel oder gasisolierte Schaltanlagen(GIS) und Leitungen (GIL) Weltweit uumlblich ist die Energieuumlbertragung mit dreiphasigenWechselspannungen die sich mit Leistungstransformatoren auf die gewuumlnschten Span-nungsebenen hinauf und herunter transformieren lassen Die heuroochsten Spannungsebenenfuumlr die Energieuumlbertragung sind 400 kV in Europa 750 kV in Nordamerika und 1000 kV inAsien Die Frequenz der annaumlhend sinusfeuroormigenWechselspannung betraumlgt 50 Hz in Europaund einer Vielzahl von Laumlndern gegenuumlber 60 Hz in Nord- Mittel- und Teilen vonSuumldamerika Die Deutsche Bahn betreibt ein eigenes Versorgungsnetz mit einphasigerWechselspannung von 110 kV und einer Frequenz von 167 Hz Weiterhin existiert eineVielzahl lokaler Versorgungsnetze fuumlr regionale Bahnen mit unterschiedlichen FrequenzenHohe Wechselspannungen werden auch fuumlr andere Bereiche von Physik und Technikbeneurootigt hauptsaumlchlich in Geraumlten und Anlagen zur Erzeugung von Gleichspannungen durchGleichrichtung

Die Uumlbertragung elektrischer Energie uumlber Entfernungen von mehr als 700 km erfolgtvorteilhaft bei Gleichspannung da hierbei geringere Uumlbertragungsverluste als bei Wechsel-spannung auftreten und greurooszligere Leistungen uumlbertragbar sind Die Spannungen bei der

Hochspannungsgleichstromeuroubertragung (HGeuroU ) betragen in der Regel bis zu 500 kV inAsien sind sogar Anlagen mit maximal 800 kV im Betrieb oder geplant Aber auch kurzeUumlbertragungsstrecken (HGUuml-Kurzkupplungen) zur Verbindung zweier Wechselspannungs-netze mit nicht synchroner Netzfrequenz werden eingesetzt HGUuml-Anlagen findet man auchbei See- oder Erdkabeln mit einer Laumlnge von bis zumehreren 100 kmWeiterhin sei auf die inDeutschland vorgenommene Energiewende hingewiesen bei der zukuumlnftig die durch Wind-kraft im Norden gewonnene Energie uumlber Gleichstromtrassen in die suumldlichen Landesteile

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_1

1

gebracht wird Schlieszliglich werden in einer futuristisch anmutenden Planungsstudie dietechnischen wirtschaftlichen und politischen Voraussetzungen untersucht um die in derSahara in Nordafrika mit Fotovoltaik-Anlagen aufgefangene Sonnenenergie uumlber HGUuml-Trassen nach Europa zu transportieren

Hohe Gleichspannungen werden bei einer Vielzahl weiterer Anwendungen eingesetztz B in Reuroontgenanlagen Staubfilteranlagen Beschichtungs- und Lackieranlagen bei derHerstellung von Aluminium usw Mit elektrostatischen Bandgeneratoren nach van deGraaff lassen sich besonders hohe und oberschwingungsfreie Gleichspannungen von biszu 25 MV erzeugen die jedoch nur mit geringen Stromstaumlrken von einigen Milliamperebelastbar sind und daher fuumlr die elektrische Energieuumlbertragung nicht in Frage kommen Siewerden vorwiegend in Beschleunigeranlagen fuumlr kernphysikalische Grundlagenuntersu-chungen verwendet

In den Betriebsanlagen zur Uumlbertragung und Verteilung elektrischer Energie bei Hoch-

spannung keuroonnen transiente euroUberspannungen mit Scheitelwerten von weit mehr als 1 MVentstehen die damit greurooszliger als die maximalen Uumlbertragungsspannungen bei Gleich- undWechselstrom sind Ursache der Uumlberspannungen sind direkte oder indirekte Blitzeinschleuroageauf Freileitungen oder in Freiluftschaltanlagen Kurzschluumlsse oder Uumlberschlaumlge durch Ver-sagen der elektrischen Isolierung Schaltvorgaumlnge in Umspannwerken und das Ansprechenvon Uumlberspannungsableitern Die transienten Spannungen haben Anstiegszeiten vorwiegendim Bereich von Mikrosekunden bis Millisekunden Bei Uumlber- oder Durchschlaumlgen und beimAnsprechen von Uumlberspannungsableitern kann der Spannungszusammenbruch sehr schnellerfolgen mit Abfallzeiten unter 1 μs Extrem kurze Zeiten im Bereich von wenigen 100 ns bishinunter zu 1 ns treten bei Schalthandlungen und Uumlberschlaumlgen in gasisolierten Schaltanla-gen auf Auch im Niederspannungsnetz keuroonnen beim Ein- und Ausschalten elektrischerGeraumlte transiente Spannungen von mehr als 1 kV auftreten die die Geraumlte in ihrer Funkti-onsweise beeinflussen oder sogar zersteurooren keuroonnen

Die in der Energieversorgung eingesetzten Betriebsmittel sind ebenfalls hohen Gleich-und Wechselstreuroomen ausgesetzt zum Beispiel bei Kurzschluumlssen im VersorgungsnetzDabei kann es zur Uumlberlagerung einer Gleichstromkomponente kommen wodurch derKurzschlusswechselstrom kurzzeitig einen Scheitelwert von 200 kA und mehr erreichtTransiente Ausgleichsstreuroome keuroonnen durch direkte oder indirekte Einwirkung vonBlitzentladungen entstehen mit Scheitelwerten im Bereich von 100 kA und Anstiegszeitenvon 1 μs Erfolgt der Blitzeinschlag in eine Freileitung breiten sich die Stromimpulse nachbeiden Seiten der Leitung aus und verursachen an den Betriebsmitteln am Leitungsendehohe transiente Spannungen die sich der Betriebswechselspannung des Netzes uumlberlagernZum Schutz der Betriebsmittel werden daher Uumlberspannungsableiter eingesetzt BeimAnsprechen der Ableiter keuroonnen sich auch die an der Betriebswechselspannung liegendenLeitungen entladen Die Ableiter werden dadurch mit einem annaumlhernd rechteckfeuroormigenStromimpuls mit einer Zeitdauer im Bereich von 1 ms beansprucht

Auch in anderen Bereichen von Physik und Technik treten hohe impulsfeuroormige Span-nungen und Streuroome mit Anstiegszeiten im Mikro- und Nanosekundenbereich auf oder sindfuumlr bestimmte Anwendungen von Nutzen wie die folgenden Beispiele zeigen In der

2 1 Einleitung

Plasmaphysik werden damit extrem groszlige Magnetfelder zum kurzzeitigen Einschluss vonPlasmen erzeugt Bei elektrischen Punktschweiszligungen erreichen die Impulsstreuroome Schei-telwerte von bis zu 200 kA Elektronische Zuumlndsysteme fuumlr Verbrennungsmotoren erzeu-gen Impulsspannungen mit Scheitelwerten von maximal 30 kV In der Leistungselektroniktreten Impulsspannungen und -streuroome von mehreren 10 kV und bis zu 10 kA auf oderwerden zur Pruumlfung beneurootigt z B fuumlr Solarmodule Elektrizitaumltszaumlhler werden mitStoszligstreuroomen die aus einer netzfrequenten Sinushalbschwingung mit Amplituden vonmehreren Kiloampere bestehen gepruumlft In der Medizintechnik wird durch Umwandlungin akustische Stoszligwellen eine Zertruumlmmerung von Nieren- und Gallensteinen sowie vonKalkablagerungen in Gelenken erzielt Die Wirkung von Elektroimpulswaffen beruht aufSpannungsimpulsen die das Nervensystem des Getroffenen fuumlr eine begrenzte Zeit laumlh-men Schlieszliglich sei auf die vielfaumlltigen Anwendungen bei Untersuchungen zur elektro-magnetischen Vertraumlglichkeit von elektronischen Geraumlten bis hin zu sehr komplexenSystemen wie sie z B Flugzeuge darstellen verwiesen

Die Isolierung der Betriebsmittel wird durch die im Betrieb auftretenden Spannungenund Streuroome einer starken Beanspruchung unterzogen die die Lebensdauer beeinflusst DieKenntnis uumlber die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der verwendeten festenfluumlssigen und gasfeuroormigen Isolierstoffe ist daher ein wichtiger Teil der Hochspannungs-technik Wenn bei der Herstellung eines Betriebsmittels Fehler in der Isolierung auftretenz B bedingt durch Gaseinschluumlsse keuroonnen oberhalb einer bestimmten EinsetzspannungTeilentladungen entstehen Bei laumlngerer Einwirkung der Teilentladungen auf die umge-bende Isolierung kann es zu einer allmaumlhlichen Schaumldigung und schlieszliglich zum vollstaumln-digen Ausfall des Betriebsmittels kommen

Die Zuverlaumlssigkeit der elektrischen Energieversorgung ist eine wichtige Voraussetzungfuumlr eine florierende Wirtschaft in jedem Land und fuumlr das Wohlergehen der BeveuroolkerungJedes Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung wird daher vor seinem Einsatzeiner Reihe von Abnahmepruumlfungen unterzogen Damit werden im Pruumlflabor gegebenen-falls auch als Vor-Ort-Preuroufung am Einsatzort des Betriebsmittels die elektrischen mecha-nischen und thermischen Beanspruchungen nachgebildet die im praktischen Einsatz desBetriebsmittels auftreten keuroonnen Hierzu geheurooren zum einen Pruumlfungen mit der demNetzbetrieb entsprechenden Spannungs- oder Stromart zum anderen Pruumlfungen mit im-pulsfeuroormigen Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroomen Letztere werden im deutschsprachigenRaum als Stoszligspannungen bzw Stoszligstreuroome bezeichnet die den im Betrieb auftretendentransienten Spannungen und Streuroomen entsprechen Die Heuroohe der international genormtenPruumlfspannungen richtet sich nach der Bemessungsspannung der Betriebsmittel Mit sehrsteil ansteigenden Stoszligspannungen lassen sich zwischen platten- oder streifenfeuroormigenElektrodenanordnungen elektromagnetische Felder zur Vertraumlglichkeitspruumlfung elektroni-scher Geraumlte und Systeme erzeugen Auch die Wirkung des bei einer Nuklearexplosion ingroszliger Heuroohe ausgeleuroosten elektromagnetischen Impulses kann auf diese Weise simuliertwerden

Zusaumltzlich zu den Spannungspruumlfungen werden Betriebsmittel einer Teilentladungspruuml-fung im Pruumlflabor unterzogen Zwar ist das Phaumlnomen der Teilentladungen sehr vielschichtig

Einleitung 3

und noch nicht restlos geklaumlrt jedoch weiszlig man auf Grund jahrzehntelanger Erfahrungdass bei Uumlberschreiten einer fuumlr jedes Betriebsmittel individuellen Teilentladungsstaumlrkedie Gefahr einer langfristigen Schaumldigung der Isolierung besteht und das Betriebsmittelvorzeitig ausfaumlllt Zunehmend findet daher ein Online-Monitoring zur permanenten Uumlber-wachung der Teilentladungen statt um rechtzeitig einen meurooglichen Ausfall des Betriebs-mittels zu erkennen Weiterhin werden die elektrischen und dielektrischen Eigenschaftender Hochspannungsisolierung uumlberpruumlft Hierzu geheurooren Messgreurooszligen wie Isolationswider-stand Leitfaumlhigkeit Kapazitaumlt und Verlustfaktor des Pruumlflings

Bei allen Pruumlfungen ist eine fundierte Messtechnik erforderlich sei es weil eine Uumlber-oder Unterbeanspruchung des Betriebsmittels oder Pruumlflings vermieden werden soll oderweil die Qualitaumlt einer Anwendung z B bei einer medizinischen Behandlung oder beimelektrischen Punktschweiszligen gewaumlhrleistet sein muss Die Messung hoher Spannungenund Streuroome von Teilentladungen und dielektrischen Eigenschaften der Isolierstoffe weisteine lange Tradition auf wobei zwei entscheidende Veraumlnderungen eingetreten sind Dieseit Jahrzehnten eingesetzten mechanischen Messgeraumlte und angewandten Messverfahrenwurden schon vor einiger Zeit durch die Verfuumlgbarkeit elektronischer Messgeraumlte weitge-hend abgeleuroost Die Einfuumlhrung der digitalen Messtechnik mit numerischer Datenverarbei-tung stellt eine weitere entscheidende Zaumlsur dar und bedeutet das Ende fuumlr die meistenanalogen Messschaltungen und Messgeraumlte

Die bei Pruumlfungen eingesetzten Messmittel muumlssen hinsichtlich ihrer Messrichtigkeituumlberpruumlft sein In diesem Zusammenhang stehen Begriffe und Inhalte wie Qualitaumltssiche-rung Kalibrierung Ruumlckfuumlhrung der Messungen auf die SI-Einheiten Messunsicherheitinternational anerkannte Pruumlfvorschriften akkreditierte Pruumlf- und Kalibrierlaboratorien

Die Hochspannungs- und Energietechnik wird in der Fachliteratur ausgiebig behandeltvor allem in den aktuellen Konferenzbaumlnden nationaler und internationaler Vortragsveran-staltungen z B bdquoInternational Symposium on High Voltage Engineeringldquo (ISH) Zusam-menfassende Darstellungen finden sich in einer Reihe von Fachbuumlchern in denen dieentsprechende Messtechnik allerdings nur kurz dargestellt wird [1ndash5] Zu einzelnen The-men kann der findige Leser uumlber die bekannten Suchmaschinen auch im Internet mehr oderweniger detaillierte Informationen erhalten Die Fachbuumlcher [6ndash8] die sich speziell mit derHochspannungsmesstechnik oder mit Teilgebieten befassen sind bereits mehrere Jahr-zehnte alt oder nur als unveraumlnderter Nachdruck aumllterer Ausgaben vorhanden

Ein Teilgebiet der Hochspannungsmesstechnik die Messung von Stoszligspannungen undStoszligstreuroomen wird unter Einbeziehung der aktuellen IEC-Pruumlfbestimmungen Kalibrier-verfahren und Unsicherheitsberechnung in dem 2010 herausgegebenen Fachbuch [9]behandelt das 2013 auch in englischer Sprache erschien Das vorliegende Fachbuch stellteine Uumlberarbeitung und Erweiterung des Inhalts dieses Buches dar Es umfasst nun dieMesstechnik fuumlr Gleich- Wechsel- Stoszligspannungen und die entsprechenden StreuroomeTeilentladungen sowie elektrische und dielektrische Messgreurooszligen bei Hochspannung

4 1 Einleitung

Das Buch ist aus der Absicht entstanden die alten aber heute noch guumlltigen Grundlagen derHochspannungsmesstechnik mit den neueren Entwicklungen zu ergaumlnzen die sich alsKonsequenz der verbesserten geraumltetechnischen Ausstattung Einfuumlhrung der analog-digi-talen Datenumwandlung numerischen Datenverarbeitung und den geaumlnderten Pruumlfnormenergeben haben

Literatur

1 Beyer M Boeck W Meurooller K Zaengl W Hochspannungstechnik Theoretische und prakti-sche Grundlagen fuumlr die Anwendung Springer BerlinHeidelbergNew York (1986)

2 Kind D Feser K Hochspannungsversuchstechnik 5 Aufl Friedr Vieweg amp Sohn Braun-schweigWiesbaden (1995) Englische Ausgabe Kind D Feser K High-Voltage Test Techni-ques 2 Aufl Butterworth Heinemann Oxford (2001)

3 Kuumlchler A Hochspannungstechnik Grundlagen ndash Technologie ndashAnwendungen Bd 3 Springer-Verlag BerlinHeidelberg (2009) Englische Ausgabe Kuumlchler A High Voltage EngineeringFundamentals ndash Technology ndash Applications Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York(2013)

4 Kuffel E Zaengl WS Kuffel J High Voltage Engineering ndash Fundamentals 2 Aufl ElsevierNewness Oxford (2000)

5 Hauschild W Lemke E High-Voltage Test and Measuring Techniques Springer HeidelbergNew YorkDordrechtLondon (2013)

6 Schwab AJ Hochspannungsmesstechnik Messgeraumlte und Messverfahren Bd 2 2 Aufl SpringerBerlinHeidelbergNew York (1981) Englische Ausgabe Schwab AJ High-Voltage MeasurementTechniques MIT Press (1972)

7 Asner AM Stoszligspannungs-Meszligtechnik Springer BerlinHeidelbergNew York (1974)8 Hylteacuten-Cavallius N The measurement of high impulse voltages and currents In Claudi A

Bergman A Berlijn S Haumlllstreuroom J (Hrsg) A Review of Seven Decades of Development SPBoras (2004)

9 Schon K Stoszligspannungs- und Stoszligstrommesstechnik Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2010) Englische Ausgabe Schon K High Impulse Voltage and Current MeasurementTechniques Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2013)

Literatur 5

Hohe Wechselspannungen und -stroumlme 2

Die Uumlbertragung elektrischer Energie erfolgt uumlberwiegend mit hohen Wechselspannungenso dass dieser Spannungsart ndash und damit auch den Wechselstreuroomen ndash besondere Bedeutungzukommt Jedes Betriebsmittel fuumlr die elektrische Energieversorgung wird vor demEinsatz auf seine Zuverlaumlssigkeit gepruumlft wobei die Pruumlf- und Messverfahren sowieAnforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome in nationalen und internationalenPruumlfvorschriften festgelegt sind HoheWechselspannungen sind auch deshalb wichtig weilsie zur Erzeugung von Gleich- und Stoszligspannungen sowie fuumlr zahlreiche Anwendungen inPhysik und Technik beneurootigt werden Das Kapitel stellt die genormten Messgreurooszligen undMessverfahren vor geht kurz auf die hauptsaumlchlich verwendeten Spannungs- und Strom-erzeuger ein und befasst sich ausfuumlhrlich mit den Messsystemen und Messgeraumlten dieinzwischen weitgehend in digitaler Ausfuumlhrung mit rechnergestuumltzter Datenverarbeitungeingesetzt werden

21 Wechselspannungen

Die Pruumlf- und Messverfahren fuumlr Betriebsmittel der elektrischen Energieuumlbertragung ein-schlieszliglich der Anforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome sind in nationalenund internationalen Pruumlfvorschriften festgelegt [1ndash5] Hohe Wechselspannungen habenauch deshalb eine besondere Bedeutung da sie die Grundlage zur Erzeugung von Gleich-und Stoszligspannungen darstellen Alle Spannungsformen werden auszliger in der Energiever-sorgung auch fuumlr zahlreiche Aufgaben in Physik und Technik eingesetzt Fuumlr die imNiederspannungsbereich verwendeten Geraumlte mit Bemessungsspannungen von nicht mehrals 1 kV gelten besondere von den Hochspannungspruumlfvorschriften sinngemaumlszlig abgeleitetePruumlfvorschriften [6]

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7

Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

ffiffiffi2

p eth22THORN

Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

u2dt

vuuut eth23THORN

mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

ucirc-

0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth24THORN

der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

i( t)

icirc

ts0

1

ab

2

t

i(t)icirc

0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

128 Visualisierung von TE-Impulsen 4081281 Phasenabhaumlngiges TE-Muster 4081282 Synchrone Mehrkanalmessung 409

129 Besondere Mess- und Nachweisverfahren 4131291 VHF- und UHF-Messverfahren 413

12911 UHF-Messverfahren feurour GIS 41412912 UHF-Messverfahren feurour Transformatoren 41612913 TE-Messsonde feurour schnelle Vor-Ort-Messung 417

1292 TE-Messverfahren feurour Kabel und Muffen 4191293 Akustische TE-Ortung 4231294 Optische TE-Messverfahren 4261295 Chemische Nachweisverfahren 428

1210 Teilentladungen bei Gleichspannung 4291211 Teilentladungen bei Stoszligspannung 431Literatur 433

13 Bestimmung von Messunsicherheiten 441131 Der GUM 441

1311 Grundkonzept des GUM 4421312 Modellfunktion einer Messung 4431313 Ermittlungsmethode vom Typ A 4451314 Ermittlungsmethode vom Typ B 4461315 Beigeordnete Standardmessunsicherheit 4491316 Erweiterte Messunsicherheit 4511317 Effektiver Freiheitsgrad 4521318 Messunsicherheitsbudget 4531319 Angabe des vollstaumlndigen Messergebnisses 453

132 Abschlieszligende Bemerkungen 453Literatur 455

Anhang A Fourier- und Laplace-Transformation 457

Anhang B Beispiele zur Bestimmung von Messunsicherheiten 463

Sachverzeichnis 473

Inhaltsverzeichnis xix

Einleitung 1

Die Uumlbertragung elektrischer Energie vom Erzeuger zu den Ballungszentren erfolgt vor-wiegend uumlber Freileitungen auf hohem Potential um die Leitungsstreuroome und Uumlber-tragungsverluste gering zu halten In den Ballungszentren selbst wird die Energieweiter verteilt uumlber erdverlegte Hochspannungskabel oder gasisolierte Schaltanlagen(GIS) und Leitungen (GIL) Weltweit uumlblich ist die Energieuumlbertragung mit dreiphasigenWechselspannungen die sich mit Leistungstransformatoren auf die gewuumlnschten Span-nungsebenen hinauf und herunter transformieren lassen Die heuroochsten Spannungsebenenfuumlr die Energieuumlbertragung sind 400 kV in Europa 750 kV in Nordamerika und 1000 kV inAsien Die Frequenz der annaumlhend sinusfeuroormigenWechselspannung betraumlgt 50 Hz in Europaund einer Vielzahl von Laumlndern gegenuumlber 60 Hz in Nord- Mittel- und Teilen vonSuumldamerika Die Deutsche Bahn betreibt ein eigenes Versorgungsnetz mit einphasigerWechselspannung von 110 kV und einer Frequenz von 167 Hz Weiterhin existiert eineVielzahl lokaler Versorgungsnetze fuumlr regionale Bahnen mit unterschiedlichen FrequenzenHohe Wechselspannungen werden auch fuumlr andere Bereiche von Physik und Technikbeneurootigt hauptsaumlchlich in Geraumlten und Anlagen zur Erzeugung von Gleichspannungen durchGleichrichtung

Die Uumlbertragung elektrischer Energie uumlber Entfernungen von mehr als 700 km erfolgtvorteilhaft bei Gleichspannung da hierbei geringere Uumlbertragungsverluste als bei Wechsel-spannung auftreten und greurooszligere Leistungen uumlbertragbar sind Die Spannungen bei der

Hochspannungsgleichstromeuroubertragung (HGeuroU ) betragen in der Regel bis zu 500 kV inAsien sind sogar Anlagen mit maximal 800 kV im Betrieb oder geplant Aber auch kurzeUumlbertragungsstrecken (HGUuml-Kurzkupplungen) zur Verbindung zweier Wechselspannungs-netze mit nicht synchroner Netzfrequenz werden eingesetzt HGUuml-Anlagen findet man auchbei See- oder Erdkabeln mit einer Laumlnge von bis zumehreren 100 kmWeiterhin sei auf die inDeutschland vorgenommene Energiewende hingewiesen bei der zukuumlnftig die durch Wind-kraft im Norden gewonnene Energie uumlber Gleichstromtrassen in die suumldlichen Landesteile

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gebracht wird Schlieszliglich werden in einer futuristisch anmutenden Planungsstudie dietechnischen wirtschaftlichen und politischen Voraussetzungen untersucht um die in derSahara in Nordafrika mit Fotovoltaik-Anlagen aufgefangene Sonnenenergie uumlber HGUuml-Trassen nach Europa zu transportieren

Hohe Gleichspannungen werden bei einer Vielzahl weiterer Anwendungen eingesetztz B in Reuroontgenanlagen Staubfilteranlagen Beschichtungs- und Lackieranlagen bei derHerstellung von Aluminium usw Mit elektrostatischen Bandgeneratoren nach van deGraaff lassen sich besonders hohe und oberschwingungsfreie Gleichspannungen von biszu 25 MV erzeugen die jedoch nur mit geringen Stromstaumlrken von einigen Milliamperebelastbar sind und daher fuumlr die elektrische Energieuumlbertragung nicht in Frage kommen Siewerden vorwiegend in Beschleunigeranlagen fuumlr kernphysikalische Grundlagenuntersu-chungen verwendet

In den Betriebsanlagen zur Uumlbertragung und Verteilung elektrischer Energie bei Hoch-

spannung keuroonnen transiente euroUberspannungen mit Scheitelwerten von weit mehr als 1 MVentstehen die damit greurooszliger als die maximalen Uumlbertragungsspannungen bei Gleich- undWechselstrom sind Ursache der Uumlberspannungen sind direkte oder indirekte Blitzeinschleuroageauf Freileitungen oder in Freiluftschaltanlagen Kurzschluumlsse oder Uumlberschlaumlge durch Ver-sagen der elektrischen Isolierung Schaltvorgaumlnge in Umspannwerken und das Ansprechenvon Uumlberspannungsableitern Die transienten Spannungen haben Anstiegszeiten vorwiegendim Bereich von Mikrosekunden bis Millisekunden Bei Uumlber- oder Durchschlaumlgen und beimAnsprechen von Uumlberspannungsableitern kann der Spannungszusammenbruch sehr schnellerfolgen mit Abfallzeiten unter 1 μs Extrem kurze Zeiten im Bereich von wenigen 100 ns bishinunter zu 1 ns treten bei Schalthandlungen und Uumlberschlaumlgen in gasisolierten Schaltanla-gen auf Auch im Niederspannungsnetz keuroonnen beim Ein- und Ausschalten elektrischerGeraumlte transiente Spannungen von mehr als 1 kV auftreten die die Geraumlte in ihrer Funkti-onsweise beeinflussen oder sogar zersteurooren keuroonnen

Die in der Energieversorgung eingesetzten Betriebsmittel sind ebenfalls hohen Gleich-und Wechselstreuroomen ausgesetzt zum Beispiel bei Kurzschluumlssen im VersorgungsnetzDabei kann es zur Uumlberlagerung einer Gleichstromkomponente kommen wodurch derKurzschlusswechselstrom kurzzeitig einen Scheitelwert von 200 kA und mehr erreichtTransiente Ausgleichsstreuroome keuroonnen durch direkte oder indirekte Einwirkung vonBlitzentladungen entstehen mit Scheitelwerten im Bereich von 100 kA und Anstiegszeitenvon 1 μs Erfolgt der Blitzeinschlag in eine Freileitung breiten sich die Stromimpulse nachbeiden Seiten der Leitung aus und verursachen an den Betriebsmitteln am Leitungsendehohe transiente Spannungen die sich der Betriebswechselspannung des Netzes uumlberlagernZum Schutz der Betriebsmittel werden daher Uumlberspannungsableiter eingesetzt BeimAnsprechen der Ableiter keuroonnen sich auch die an der Betriebswechselspannung liegendenLeitungen entladen Die Ableiter werden dadurch mit einem annaumlhernd rechteckfeuroormigenStromimpuls mit einer Zeitdauer im Bereich von 1 ms beansprucht

Auch in anderen Bereichen von Physik und Technik treten hohe impulsfeuroormige Span-nungen und Streuroome mit Anstiegszeiten im Mikro- und Nanosekundenbereich auf oder sindfuumlr bestimmte Anwendungen von Nutzen wie die folgenden Beispiele zeigen In der

2 1 Einleitung

Plasmaphysik werden damit extrem groszlige Magnetfelder zum kurzzeitigen Einschluss vonPlasmen erzeugt Bei elektrischen Punktschweiszligungen erreichen die Impulsstreuroome Schei-telwerte von bis zu 200 kA Elektronische Zuumlndsysteme fuumlr Verbrennungsmotoren erzeu-gen Impulsspannungen mit Scheitelwerten von maximal 30 kV In der Leistungselektroniktreten Impulsspannungen und -streuroome von mehreren 10 kV und bis zu 10 kA auf oderwerden zur Pruumlfung beneurootigt z B fuumlr Solarmodule Elektrizitaumltszaumlhler werden mitStoszligstreuroomen die aus einer netzfrequenten Sinushalbschwingung mit Amplituden vonmehreren Kiloampere bestehen gepruumlft In der Medizintechnik wird durch Umwandlungin akustische Stoszligwellen eine Zertruumlmmerung von Nieren- und Gallensteinen sowie vonKalkablagerungen in Gelenken erzielt Die Wirkung von Elektroimpulswaffen beruht aufSpannungsimpulsen die das Nervensystem des Getroffenen fuumlr eine begrenzte Zeit laumlh-men Schlieszliglich sei auf die vielfaumlltigen Anwendungen bei Untersuchungen zur elektro-magnetischen Vertraumlglichkeit von elektronischen Geraumlten bis hin zu sehr komplexenSystemen wie sie z B Flugzeuge darstellen verwiesen

Die Isolierung der Betriebsmittel wird durch die im Betrieb auftretenden Spannungenund Streuroome einer starken Beanspruchung unterzogen die die Lebensdauer beeinflusst DieKenntnis uumlber die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der verwendeten festenfluumlssigen und gasfeuroormigen Isolierstoffe ist daher ein wichtiger Teil der Hochspannungs-technik Wenn bei der Herstellung eines Betriebsmittels Fehler in der Isolierung auftretenz B bedingt durch Gaseinschluumlsse keuroonnen oberhalb einer bestimmten EinsetzspannungTeilentladungen entstehen Bei laumlngerer Einwirkung der Teilentladungen auf die umge-bende Isolierung kann es zu einer allmaumlhlichen Schaumldigung und schlieszliglich zum vollstaumln-digen Ausfall des Betriebsmittels kommen

Die Zuverlaumlssigkeit der elektrischen Energieversorgung ist eine wichtige Voraussetzungfuumlr eine florierende Wirtschaft in jedem Land und fuumlr das Wohlergehen der BeveuroolkerungJedes Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung wird daher vor seinem Einsatzeiner Reihe von Abnahmepruumlfungen unterzogen Damit werden im Pruumlflabor gegebenen-falls auch als Vor-Ort-Preuroufung am Einsatzort des Betriebsmittels die elektrischen mecha-nischen und thermischen Beanspruchungen nachgebildet die im praktischen Einsatz desBetriebsmittels auftreten keuroonnen Hierzu geheurooren zum einen Pruumlfungen mit der demNetzbetrieb entsprechenden Spannungs- oder Stromart zum anderen Pruumlfungen mit im-pulsfeuroormigen Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroomen Letztere werden im deutschsprachigenRaum als Stoszligspannungen bzw Stoszligstreuroome bezeichnet die den im Betrieb auftretendentransienten Spannungen und Streuroomen entsprechen Die Heuroohe der international genormtenPruumlfspannungen richtet sich nach der Bemessungsspannung der Betriebsmittel Mit sehrsteil ansteigenden Stoszligspannungen lassen sich zwischen platten- oder streifenfeuroormigenElektrodenanordnungen elektromagnetische Felder zur Vertraumlglichkeitspruumlfung elektroni-scher Geraumlte und Systeme erzeugen Auch die Wirkung des bei einer Nuklearexplosion ingroszliger Heuroohe ausgeleuroosten elektromagnetischen Impulses kann auf diese Weise simuliertwerden

Zusaumltzlich zu den Spannungspruumlfungen werden Betriebsmittel einer Teilentladungspruuml-fung im Pruumlflabor unterzogen Zwar ist das Phaumlnomen der Teilentladungen sehr vielschichtig

Einleitung 3

und noch nicht restlos geklaumlrt jedoch weiszlig man auf Grund jahrzehntelanger Erfahrungdass bei Uumlberschreiten einer fuumlr jedes Betriebsmittel individuellen Teilentladungsstaumlrkedie Gefahr einer langfristigen Schaumldigung der Isolierung besteht und das Betriebsmittelvorzeitig ausfaumlllt Zunehmend findet daher ein Online-Monitoring zur permanenten Uumlber-wachung der Teilentladungen statt um rechtzeitig einen meurooglichen Ausfall des Betriebs-mittels zu erkennen Weiterhin werden die elektrischen und dielektrischen Eigenschaftender Hochspannungsisolierung uumlberpruumlft Hierzu geheurooren Messgreurooszligen wie Isolationswider-stand Leitfaumlhigkeit Kapazitaumlt und Verlustfaktor des Pruumlflings

Bei allen Pruumlfungen ist eine fundierte Messtechnik erforderlich sei es weil eine Uumlber-oder Unterbeanspruchung des Betriebsmittels oder Pruumlflings vermieden werden soll oderweil die Qualitaumlt einer Anwendung z B bei einer medizinischen Behandlung oder beimelektrischen Punktschweiszligen gewaumlhrleistet sein muss Die Messung hoher Spannungenund Streuroome von Teilentladungen und dielektrischen Eigenschaften der Isolierstoffe weisteine lange Tradition auf wobei zwei entscheidende Veraumlnderungen eingetreten sind Dieseit Jahrzehnten eingesetzten mechanischen Messgeraumlte und angewandten Messverfahrenwurden schon vor einiger Zeit durch die Verfuumlgbarkeit elektronischer Messgeraumlte weitge-hend abgeleuroost Die Einfuumlhrung der digitalen Messtechnik mit numerischer Datenverarbei-tung stellt eine weitere entscheidende Zaumlsur dar und bedeutet das Ende fuumlr die meistenanalogen Messschaltungen und Messgeraumlte

Die bei Pruumlfungen eingesetzten Messmittel muumlssen hinsichtlich ihrer Messrichtigkeituumlberpruumlft sein In diesem Zusammenhang stehen Begriffe und Inhalte wie Qualitaumltssiche-rung Kalibrierung Ruumlckfuumlhrung der Messungen auf die SI-Einheiten Messunsicherheitinternational anerkannte Pruumlfvorschriften akkreditierte Pruumlf- und Kalibrierlaboratorien

Die Hochspannungs- und Energietechnik wird in der Fachliteratur ausgiebig behandeltvor allem in den aktuellen Konferenzbaumlnden nationaler und internationaler Vortragsveran-staltungen z B bdquoInternational Symposium on High Voltage Engineeringldquo (ISH) Zusam-menfassende Darstellungen finden sich in einer Reihe von Fachbuumlchern in denen dieentsprechende Messtechnik allerdings nur kurz dargestellt wird [1ndash5] Zu einzelnen The-men kann der findige Leser uumlber die bekannten Suchmaschinen auch im Internet mehr oderweniger detaillierte Informationen erhalten Die Fachbuumlcher [6ndash8] die sich speziell mit derHochspannungsmesstechnik oder mit Teilgebieten befassen sind bereits mehrere Jahr-zehnte alt oder nur als unveraumlnderter Nachdruck aumllterer Ausgaben vorhanden

Ein Teilgebiet der Hochspannungsmesstechnik die Messung von Stoszligspannungen undStoszligstreuroomen wird unter Einbeziehung der aktuellen IEC-Pruumlfbestimmungen Kalibrier-verfahren und Unsicherheitsberechnung in dem 2010 herausgegebenen Fachbuch [9]behandelt das 2013 auch in englischer Sprache erschien Das vorliegende Fachbuch stellteine Uumlberarbeitung und Erweiterung des Inhalts dieses Buches dar Es umfasst nun dieMesstechnik fuumlr Gleich- Wechsel- Stoszligspannungen und die entsprechenden StreuroomeTeilentladungen sowie elektrische und dielektrische Messgreurooszligen bei Hochspannung

4 1 Einleitung

Das Buch ist aus der Absicht entstanden die alten aber heute noch guumlltigen Grundlagen derHochspannungsmesstechnik mit den neueren Entwicklungen zu ergaumlnzen die sich alsKonsequenz der verbesserten geraumltetechnischen Ausstattung Einfuumlhrung der analog-digi-talen Datenumwandlung numerischen Datenverarbeitung und den geaumlnderten Pruumlfnormenergeben haben

Literatur

1 Beyer M Boeck W Meurooller K Zaengl W Hochspannungstechnik Theoretische und prakti-sche Grundlagen fuumlr die Anwendung Springer BerlinHeidelbergNew York (1986)

2 Kind D Feser K Hochspannungsversuchstechnik 5 Aufl Friedr Vieweg amp Sohn Braun-schweigWiesbaden (1995) Englische Ausgabe Kind D Feser K High-Voltage Test Techni-ques 2 Aufl Butterworth Heinemann Oxford (2001)

3 Kuumlchler A Hochspannungstechnik Grundlagen ndash Technologie ndashAnwendungen Bd 3 Springer-Verlag BerlinHeidelberg (2009) Englische Ausgabe Kuumlchler A High Voltage EngineeringFundamentals ndash Technology ndash Applications Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York(2013)

4 Kuffel E Zaengl WS Kuffel J High Voltage Engineering ndash Fundamentals 2 Aufl ElsevierNewness Oxford (2000)

5 Hauschild W Lemke E High-Voltage Test and Measuring Techniques Springer HeidelbergNew YorkDordrechtLondon (2013)

6 Schwab AJ Hochspannungsmesstechnik Messgeraumlte und Messverfahren Bd 2 2 Aufl SpringerBerlinHeidelbergNew York (1981) Englische Ausgabe Schwab AJ High-Voltage MeasurementTechniques MIT Press (1972)

7 Asner AM Stoszligspannungs-Meszligtechnik Springer BerlinHeidelbergNew York (1974)8 Hylteacuten-Cavallius N The measurement of high impulse voltages and currents In Claudi A

Bergman A Berlijn S Haumlllstreuroom J (Hrsg) A Review of Seven Decades of Development SPBoras (2004)

9 Schon K Stoszligspannungs- und Stoszligstrommesstechnik Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2010) Englische Ausgabe Schon K High Impulse Voltage and Current MeasurementTechniques Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2013)

Literatur 5

Hohe Wechselspannungen und -stroumlme 2

Die Uumlbertragung elektrischer Energie erfolgt uumlberwiegend mit hohen Wechselspannungenso dass dieser Spannungsart ndash und damit auch den Wechselstreuroomen ndash besondere Bedeutungzukommt Jedes Betriebsmittel fuumlr die elektrische Energieversorgung wird vor demEinsatz auf seine Zuverlaumlssigkeit gepruumlft wobei die Pruumlf- und Messverfahren sowieAnforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome in nationalen und internationalenPruumlfvorschriften festgelegt sind HoheWechselspannungen sind auch deshalb wichtig weilsie zur Erzeugung von Gleich- und Stoszligspannungen sowie fuumlr zahlreiche Anwendungen inPhysik und Technik beneurootigt werden Das Kapitel stellt die genormten Messgreurooszligen undMessverfahren vor geht kurz auf die hauptsaumlchlich verwendeten Spannungs- und Strom-erzeuger ein und befasst sich ausfuumlhrlich mit den Messsystemen und Messgeraumlten dieinzwischen weitgehend in digitaler Ausfuumlhrung mit rechnergestuumltzter Datenverarbeitungeingesetzt werden

21 Wechselspannungen

Die Pruumlf- und Messverfahren fuumlr Betriebsmittel der elektrischen Energieuumlbertragung ein-schlieszliglich der Anforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome sind in nationalenund internationalen Pruumlfvorschriften festgelegt [1ndash5] Hohe Wechselspannungen habenauch deshalb eine besondere Bedeutung da sie die Grundlage zur Erzeugung von Gleich-und Stoszligspannungen darstellen Alle Spannungsformen werden auszliger in der Energiever-sorgung auch fuumlr zahlreiche Aufgaben in Physik und Technik eingesetzt Fuumlr die imNiederspannungsbereich verwendeten Geraumlte mit Bemessungsspannungen von nicht mehrals 1 kV gelten besondere von den Hochspannungspruumlfvorschriften sinngemaumlszlig abgeleitetePruumlfvorschriften [6]

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7

Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

ffiffiffi2

p eth22THORN

Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

u2dt

vuuut eth23THORN

mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

ucirc-

0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth24THORN

der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

i( t)

icirc

ts0

1

ab

2

t

i(t)icirc

0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Einleitung 1

Die Uumlbertragung elektrischer Energie vom Erzeuger zu den Ballungszentren erfolgt vor-wiegend uumlber Freileitungen auf hohem Potential um die Leitungsstreuroome und Uumlber-tragungsverluste gering zu halten In den Ballungszentren selbst wird die Energieweiter verteilt uumlber erdverlegte Hochspannungskabel oder gasisolierte Schaltanlagen(GIS) und Leitungen (GIL) Weltweit uumlblich ist die Energieuumlbertragung mit dreiphasigenWechselspannungen die sich mit Leistungstransformatoren auf die gewuumlnschten Span-nungsebenen hinauf und herunter transformieren lassen Die heuroochsten Spannungsebenenfuumlr die Energieuumlbertragung sind 400 kV in Europa 750 kV in Nordamerika und 1000 kV inAsien Die Frequenz der annaumlhend sinusfeuroormigenWechselspannung betraumlgt 50 Hz in Europaund einer Vielzahl von Laumlndern gegenuumlber 60 Hz in Nord- Mittel- und Teilen vonSuumldamerika Die Deutsche Bahn betreibt ein eigenes Versorgungsnetz mit einphasigerWechselspannung von 110 kV und einer Frequenz von 167 Hz Weiterhin existiert eineVielzahl lokaler Versorgungsnetze fuumlr regionale Bahnen mit unterschiedlichen FrequenzenHohe Wechselspannungen werden auch fuumlr andere Bereiche von Physik und Technikbeneurootigt hauptsaumlchlich in Geraumlten und Anlagen zur Erzeugung von Gleichspannungen durchGleichrichtung

Die Uumlbertragung elektrischer Energie uumlber Entfernungen von mehr als 700 km erfolgtvorteilhaft bei Gleichspannung da hierbei geringere Uumlbertragungsverluste als bei Wechsel-spannung auftreten und greurooszligere Leistungen uumlbertragbar sind Die Spannungen bei der

Hochspannungsgleichstromeuroubertragung (HGeuroU ) betragen in der Regel bis zu 500 kV inAsien sind sogar Anlagen mit maximal 800 kV im Betrieb oder geplant Aber auch kurzeUumlbertragungsstrecken (HGUuml-Kurzkupplungen) zur Verbindung zweier Wechselspannungs-netze mit nicht synchroner Netzfrequenz werden eingesetzt HGUuml-Anlagen findet man auchbei See- oder Erdkabeln mit einer Laumlnge von bis zumehreren 100 kmWeiterhin sei auf die inDeutschland vorgenommene Energiewende hingewiesen bei der zukuumlnftig die durch Wind-kraft im Norden gewonnene Energie uumlber Gleichstromtrassen in die suumldlichen Landesteile

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gebracht wird Schlieszliglich werden in einer futuristisch anmutenden Planungsstudie dietechnischen wirtschaftlichen und politischen Voraussetzungen untersucht um die in derSahara in Nordafrika mit Fotovoltaik-Anlagen aufgefangene Sonnenenergie uumlber HGUuml-Trassen nach Europa zu transportieren

Hohe Gleichspannungen werden bei einer Vielzahl weiterer Anwendungen eingesetztz B in Reuroontgenanlagen Staubfilteranlagen Beschichtungs- und Lackieranlagen bei derHerstellung von Aluminium usw Mit elektrostatischen Bandgeneratoren nach van deGraaff lassen sich besonders hohe und oberschwingungsfreie Gleichspannungen von biszu 25 MV erzeugen die jedoch nur mit geringen Stromstaumlrken von einigen Milliamperebelastbar sind und daher fuumlr die elektrische Energieuumlbertragung nicht in Frage kommen Siewerden vorwiegend in Beschleunigeranlagen fuumlr kernphysikalische Grundlagenuntersu-chungen verwendet

In den Betriebsanlagen zur Uumlbertragung und Verteilung elektrischer Energie bei Hoch-

spannung keuroonnen transiente euroUberspannungen mit Scheitelwerten von weit mehr als 1 MVentstehen die damit greurooszliger als die maximalen Uumlbertragungsspannungen bei Gleich- undWechselstrom sind Ursache der Uumlberspannungen sind direkte oder indirekte Blitzeinschleuroageauf Freileitungen oder in Freiluftschaltanlagen Kurzschluumlsse oder Uumlberschlaumlge durch Ver-sagen der elektrischen Isolierung Schaltvorgaumlnge in Umspannwerken und das Ansprechenvon Uumlberspannungsableitern Die transienten Spannungen haben Anstiegszeiten vorwiegendim Bereich von Mikrosekunden bis Millisekunden Bei Uumlber- oder Durchschlaumlgen und beimAnsprechen von Uumlberspannungsableitern kann der Spannungszusammenbruch sehr schnellerfolgen mit Abfallzeiten unter 1 μs Extrem kurze Zeiten im Bereich von wenigen 100 ns bishinunter zu 1 ns treten bei Schalthandlungen und Uumlberschlaumlgen in gasisolierten Schaltanla-gen auf Auch im Niederspannungsnetz keuroonnen beim Ein- und Ausschalten elektrischerGeraumlte transiente Spannungen von mehr als 1 kV auftreten die die Geraumlte in ihrer Funkti-onsweise beeinflussen oder sogar zersteurooren keuroonnen

Die in der Energieversorgung eingesetzten Betriebsmittel sind ebenfalls hohen Gleich-und Wechselstreuroomen ausgesetzt zum Beispiel bei Kurzschluumlssen im VersorgungsnetzDabei kann es zur Uumlberlagerung einer Gleichstromkomponente kommen wodurch derKurzschlusswechselstrom kurzzeitig einen Scheitelwert von 200 kA und mehr erreichtTransiente Ausgleichsstreuroome keuroonnen durch direkte oder indirekte Einwirkung vonBlitzentladungen entstehen mit Scheitelwerten im Bereich von 100 kA und Anstiegszeitenvon 1 μs Erfolgt der Blitzeinschlag in eine Freileitung breiten sich die Stromimpulse nachbeiden Seiten der Leitung aus und verursachen an den Betriebsmitteln am Leitungsendehohe transiente Spannungen die sich der Betriebswechselspannung des Netzes uumlberlagernZum Schutz der Betriebsmittel werden daher Uumlberspannungsableiter eingesetzt BeimAnsprechen der Ableiter keuroonnen sich auch die an der Betriebswechselspannung liegendenLeitungen entladen Die Ableiter werden dadurch mit einem annaumlhernd rechteckfeuroormigenStromimpuls mit einer Zeitdauer im Bereich von 1 ms beansprucht

Auch in anderen Bereichen von Physik und Technik treten hohe impulsfeuroormige Span-nungen und Streuroome mit Anstiegszeiten im Mikro- und Nanosekundenbereich auf oder sindfuumlr bestimmte Anwendungen von Nutzen wie die folgenden Beispiele zeigen In der

2 1 Einleitung

Plasmaphysik werden damit extrem groszlige Magnetfelder zum kurzzeitigen Einschluss vonPlasmen erzeugt Bei elektrischen Punktschweiszligungen erreichen die Impulsstreuroome Schei-telwerte von bis zu 200 kA Elektronische Zuumlndsysteme fuumlr Verbrennungsmotoren erzeu-gen Impulsspannungen mit Scheitelwerten von maximal 30 kV In der Leistungselektroniktreten Impulsspannungen und -streuroome von mehreren 10 kV und bis zu 10 kA auf oderwerden zur Pruumlfung beneurootigt z B fuumlr Solarmodule Elektrizitaumltszaumlhler werden mitStoszligstreuroomen die aus einer netzfrequenten Sinushalbschwingung mit Amplituden vonmehreren Kiloampere bestehen gepruumlft In der Medizintechnik wird durch Umwandlungin akustische Stoszligwellen eine Zertruumlmmerung von Nieren- und Gallensteinen sowie vonKalkablagerungen in Gelenken erzielt Die Wirkung von Elektroimpulswaffen beruht aufSpannungsimpulsen die das Nervensystem des Getroffenen fuumlr eine begrenzte Zeit laumlh-men Schlieszliglich sei auf die vielfaumlltigen Anwendungen bei Untersuchungen zur elektro-magnetischen Vertraumlglichkeit von elektronischen Geraumlten bis hin zu sehr komplexenSystemen wie sie z B Flugzeuge darstellen verwiesen

Die Isolierung der Betriebsmittel wird durch die im Betrieb auftretenden Spannungenund Streuroome einer starken Beanspruchung unterzogen die die Lebensdauer beeinflusst DieKenntnis uumlber die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der verwendeten festenfluumlssigen und gasfeuroormigen Isolierstoffe ist daher ein wichtiger Teil der Hochspannungs-technik Wenn bei der Herstellung eines Betriebsmittels Fehler in der Isolierung auftretenz B bedingt durch Gaseinschluumlsse keuroonnen oberhalb einer bestimmten EinsetzspannungTeilentladungen entstehen Bei laumlngerer Einwirkung der Teilentladungen auf die umge-bende Isolierung kann es zu einer allmaumlhlichen Schaumldigung und schlieszliglich zum vollstaumln-digen Ausfall des Betriebsmittels kommen

Die Zuverlaumlssigkeit der elektrischen Energieversorgung ist eine wichtige Voraussetzungfuumlr eine florierende Wirtschaft in jedem Land und fuumlr das Wohlergehen der BeveuroolkerungJedes Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung wird daher vor seinem Einsatzeiner Reihe von Abnahmepruumlfungen unterzogen Damit werden im Pruumlflabor gegebenen-falls auch als Vor-Ort-Preuroufung am Einsatzort des Betriebsmittels die elektrischen mecha-nischen und thermischen Beanspruchungen nachgebildet die im praktischen Einsatz desBetriebsmittels auftreten keuroonnen Hierzu geheurooren zum einen Pruumlfungen mit der demNetzbetrieb entsprechenden Spannungs- oder Stromart zum anderen Pruumlfungen mit im-pulsfeuroormigen Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroomen Letztere werden im deutschsprachigenRaum als Stoszligspannungen bzw Stoszligstreuroome bezeichnet die den im Betrieb auftretendentransienten Spannungen und Streuroomen entsprechen Die Heuroohe der international genormtenPruumlfspannungen richtet sich nach der Bemessungsspannung der Betriebsmittel Mit sehrsteil ansteigenden Stoszligspannungen lassen sich zwischen platten- oder streifenfeuroormigenElektrodenanordnungen elektromagnetische Felder zur Vertraumlglichkeitspruumlfung elektroni-scher Geraumlte und Systeme erzeugen Auch die Wirkung des bei einer Nuklearexplosion ingroszliger Heuroohe ausgeleuroosten elektromagnetischen Impulses kann auf diese Weise simuliertwerden

Zusaumltzlich zu den Spannungspruumlfungen werden Betriebsmittel einer Teilentladungspruuml-fung im Pruumlflabor unterzogen Zwar ist das Phaumlnomen der Teilentladungen sehr vielschichtig

Einleitung 3

und noch nicht restlos geklaumlrt jedoch weiszlig man auf Grund jahrzehntelanger Erfahrungdass bei Uumlberschreiten einer fuumlr jedes Betriebsmittel individuellen Teilentladungsstaumlrkedie Gefahr einer langfristigen Schaumldigung der Isolierung besteht und das Betriebsmittelvorzeitig ausfaumlllt Zunehmend findet daher ein Online-Monitoring zur permanenten Uumlber-wachung der Teilentladungen statt um rechtzeitig einen meurooglichen Ausfall des Betriebs-mittels zu erkennen Weiterhin werden die elektrischen und dielektrischen Eigenschaftender Hochspannungsisolierung uumlberpruumlft Hierzu geheurooren Messgreurooszligen wie Isolationswider-stand Leitfaumlhigkeit Kapazitaumlt und Verlustfaktor des Pruumlflings

Bei allen Pruumlfungen ist eine fundierte Messtechnik erforderlich sei es weil eine Uumlber-oder Unterbeanspruchung des Betriebsmittels oder Pruumlflings vermieden werden soll oderweil die Qualitaumlt einer Anwendung z B bei einer medizinischen Behandlung oder beimelektrischen Punktschweiszligen gewaumlhrleistet sein muss Die Messung hoher Spannungenund Streuroome von Teilentladungen und dielektrischen Eigenschaften der Isolierstoffe weisteine lange Tradition auf wobei zwei entscheidende Veraumlnderungen eingetreten sind Dieseit Jahrzehnten eingesetzten mechanischen Messgeraumlte und angewandten Messverfahrenwurden schon vor einiger Zeit durch die Verfuumlgbarkeit elektronischer Messgeraumlte weitge-hend abgeleuroost Die Einfuumlhrung der digitalen Messtechnik mit numerischer Datenverarbei-tung stellt eine weitere entscheidende Zaumlsur dar und bedeutet das Ende fuumlr die meistenanalogen Messschaltungen und Messgeraumlte

Die bei Pruumlfungen eingesetzten Messmittel muumlssen hinsichtlich ihrer Messrichtigkeituumlberpruumlft sein In diesem Zusammenhang stehen Begriffe und Inhalte wie Qualitaumltssiche-rung Kalibrierung Ruumlckfuumlhrung der Messungen auf die SI-Einheiten Messunsicherheitinternational anerkannte Pruumlfvorschriften akkreditierte Pruumlf- und Kalibrierlaboratorien

Die Hochspannungs- und Energietechnik wird in der Fachliteratur ausgiebig behandeltvor allem in den aktuellen Konferenzbaumlnden nationaler und internationaler Vortragsveran-staltungen z B bdquoInternational Symposium on High Voltage Engineeringldquo (ISH) Zusam-menfassende Darstellungen finden sich in einer Reihe von Fachbuumlchern in denen dieentsprechende Messtechnik allerdings nur kurz dargestellt wird [1ndash5] Zu einzelnen The-men kann der findige Leser uumlber die bekannten Suchmaschinen auch im Internet mehr oderweniger detaillierte Informationen erhalten Die Fachbuumlcher [6ndash8] die sich speziell mit derHochspannungsmesstechnik oder mit Teilgebieten befassen sind bereits mehrere Jahr-zehnte alt oder nur als unveraumlnderter Nachdruck aumllterer Ausgaben vorhanden

Ein Teilgebiet der Hochspannungsmesstechnik die Messung von Stoszligspannungen undStoszligstreuroomen wird unter Einbeziehung der aktuellen IEC-Pruumlfbestimmungen Kalibrier-verfahren und Unsicherheitsberechnung in dem 2010 herausgegebenen Fachbuch [9]behandelt das 2013 auch in englischer Sprache erschien Das vorliegende Fachbuch stellteine Uumlberarbeitung und Erweiterung des Inhalts dieses Buches dar Es umfasst nun dieMesstechnik fuumlr Gleich- Wechsel- Stoszligspannungen und die entsprechenden StreuroomeTeilentladungen sowie elektrische und dielektrische Messgreurooszligen bei Hochspannung

4 1 Einleitung

Das Buch ist aus der Absicht entstanden die alten aber heute noch guumlltigen Grundlagen derHochspannungsmesstechnik mit den neueren Entwicklungen zu ergaumlnzen die sich alsKonsequenz der verbesserten geraumltetechnischen Ausstattung Einfuumlhrung der analog-digi-talen Datenumwandlung numerischen Datenverarbeitung und den geaumlnderten Pruumlfnormenergeben haben

Literatur

1 Beyer M Boeck W Meurooller K Zaengl W Hochspannungstechnik Theoretische und prakti-sche Grundlagen fuumlr die Anwendung Springer BerlinHeidelbergNew York (1986)

2 Kind D Feser K Hochspannungsversuchstechnik 5 Aufl Friedr Vieweg amp Sohn Braun-schweigWiesbaden (1995) Englische Ausgabe Kind D Feser K High-Voltage Test Techni-ques 2 Aufl Butterworth Heinemann Oxford (2001)

3 Kuumlchler A Hochspannungstechnik Grundlagen ndash Technologie ndashAnwendungen Bd 3 Springer-Verlag BerlinHeidelberg (2009) Englische Ausgabe Kuumlchler A High Voltage EngineeringFundamentals ndash Technology ndash Applications Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York(2013)

4 Kuffel E Zaengl WS Kuffel J High Voltage Engineering ndash Fundamentals 2 Aufl ElsevierNewness Oxford (2000)

5 Hauschild W Lemke E High-Voltage Test and Measuring Techniques Springer HeidelbergNew YorkDordrechtLondon (2013)

6 Schwab AJ Hochspannungsmesstechnik Messgeraumlte und Messverfahren Bd 2 2 Aufl SpringerBerlinHeidelbergNew York (1981) Englische Ausgabe Schwab AJ High-Voltage MeasurementTechniques MIT Press (1972)

7 Asner AM Stoszligspannungs-Meszligtechnik Springer BerlinHeidelbergNew York (1974)8 Hylteacuten-Cavallius N The measurement of high impulse voltages and currents In Claudi A

Bergman A Berlijn S Haumlllstreuroom J (Hrsg) A Review of Seven Decades of Development SPBoras (2004)

9 Schon K Stoszligspannungs- und Stoszligstrommesstechnik Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2010) Englische Ausgabe Schon K High Impulse Voltage and Current MeasurementTechniques Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2013)

Literatur 5

Hohe Wechselspannungen und -stroumlme 2

Die Uumlbertragung elektrischer Energie erfolgt uumlberwiegend mit hohen Wechselspannungenso dass dieser Spannungsart ndash und damit auch den Wechselstreuroomen ndash besondere Bedeutungzukommt Jedes Betriebsmittel fuumlr die elektrische Energieversorgung wird vor demEinsatz auf seine Zuverlaumlssigkeit gepruumlft wobei die Pruumlf- und Messverfahren sowieAnforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome in nationalen und internationalenPruumlfvorschriften festgelegt sind HoheWechselspannungen sind auch deshalb wichtig weilsie zur Erzeugung von Gleich- und Stoszligspannungen sowie fuumlr zahlreiche Anwendungen inPhysik und Technik beneurootigt werden Das Kapitel stellt die genormten Messgreurooszligen undMessverfahren vor geht kurz auf die hauptsaumlchlich verwendeten Spannungs- und Strom-erzeuger ein und befasst sich ausfuumlhrlich mit den Messsystemen und Messgeraumlten dieinzwischen weitgehend in digitaler Ausfuumlhrung mit rechnergestuumltzter Datenverarbeitungeingesetzt werden

21 Wechselspannungen

Die Pruumlf- und Messverfahren fuumlr Betriebsmittel der elektrischen Energieuumlbertragung ein-schlieszliglich der Anforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome sind in nationalenund internationalen Pruumlfvorschriften festgelegt [1ndash5] Hohe Wechselspannungen habenauch deshalb eine besondere Bedeutung da sie die Grundlage zur Erzeugung von Gleich-und Stoszligspannungen darstellen Alle Spannungsformen werden auszliger in der Energiever-sorgung auch fuumlr zahlreiche Aufgaben in Physik und Technik eingesetzt Fuumlr die imNiederspannungsbereich verwendeten Geraumlte mit Bemessungsspannungen von nicht mehrals 1 kV gelten besondere von den Hochspannungspruumlfvorschriften sinngemaumlszlig abgeleitetePruumlfvorschriften [6]

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_2

7

Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

ffiffiffi2

p eth22THORN

Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

u2dt

vuuut eth23THORN

mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

ucirc-

0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth24THORN

der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

i( t)

icirc

ts0

1

ab

2

t

i(t)icirc

0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

gebracht wird Schlieszliglich werden in einer futuristisch anmutenden Planungsstudie dietechnischen wirtschaftlichen und politischen Voraussetzungen untersucht um die in derSahara in Nordafrika mit Fotovoltaik-Anlagen aufgefangene Sonnenenergie uumlber HGUuml-Trassen nach Europa zu transportieren

Hohe Gleichspannungen werden bei einer Vielzahl weiterer Anwendungen eingesetztz B in Reuroontgenanlagen Staubfilteranlagen Beschichtungs- und Lackieranlagen bei derHerstellung von Aluminium usw Mit elektrostatischen Bandgeneratoren nach van deGraaff lassen sich besonders hohe und oberschwingungsfreie Gleichspannungen von biszu 25 MV erzeugen die jedoch nur mit geringen Stromstaumlrken von einigen Milliamperebelastbar sind und daher fuumlr die elektrische Energieuumlbertragung nicht in Frage kommen Siewerden vorwiegend in Beschleunigeranlagen fuumlr kernphysikalische Grundlagenuntersu-chungen verwendet

In den Betriebsanlagen zur Uumlbertragung und Verteilung elektrischer Energie bei Hoch-

spannung keuroonnen transiente euroUberspannungen mit Scheitelwerten von weit mehr als 1 MVentstehen die damit greurooszliger als die maximalen Uumlbertragungsspannungen bei Gleich- undWechselstrom sind Ursache der Uumlberspannungen sind direkte oder indirekte Blitzeinschleuroageauf Freileitungen oder in Freiluftschaltanlagen Kurzschluumlsse oder Uumlberschlaumlge durch Ver-sagen der elektrischen Isolierung Schaltvorgaumlnge in Umspannwerken und das Ansprechenvon Uumlberspannungsableitern Die transienten Spannungen haben Anstiegszeiten vorwiegendim Bereich von Mikrosekunden bis Millisekunden Bei Uumlber- oder Durchschlaumlgen und beimAnsprechen von Uumlberspannungsableitern kann der Spannungszusammenbruch sehr schnellerfolgen mit Abfallzeiten unter 1 μs Extrem kurze Zeiten im Bereich von wenigen 100 ns bishinunter zu 1 ns treten bei Schalthandlungen und Uumlberschlaumlgen in gasisolierten Schaltanla-gen auf Auch im Niederspannungsnetz keuroonnen beim Ein- und Ausschalten elektrischerGeraumlte transiente Spannungen von mehr als 1 kV auftreten die die Geraumlte in ihrer Funkti-onsweise beeinflussen oder sogar zersteurooren keuroonnen

Die in der Energieversorgung eingesetzten Betriebsmittel sind ebenfalls hohen Gleich-und Wechselstreuroomen ausgesetzt zum Beispiel bei Kurzschluumlssen im VersorgungsnetzDabei kann es zur Uumlberlagerung einer Gleichstromkomponente kommen wodurch derKurzschlusswechselstrom kurzzeitig einen Scheitelwert von 200 kA und mehr erreichtTransiente Ausgleichsstreuroome keuroonnen durch direkte oder indirekte Einwirkung vonBlitzentladungen entstehen mit Scheitelwerten im Bereich von 100 kA und Anstiegszeitenvon 1 μs Erfolgt der Blitzeinschlag in eine Freileitung breiten sich die Stromimpulse nachbeiden Seiten der Leitung aus und verursachen an den Betriebsmitteln am Leitungsendehohe transiente Spannungen die sich der Betriebswechselspannung des Netzes uumlberlagernZum Schutz der Betriebsmittel werden daher Uumlberspannungsableiter eingesetzt BeimAnsprechen der Ableiter keuroonnen sich auch die an der Betriebswechselspannung liegendenLeitungen entladen Die Ableiter werden dadurch mit einem annaumlhernd rechteckfeuroormigenStromimpuls mit einer Zeitdauer im Bereich von 1 ms beansprucht

Auch in anderen Bereichen von Physik und Technik treten hohe impulsfeuroormige Span-nungen und Streuroome mit Anstiegszeiten im Mikro- und Nanosekundenbereich auf oder sindfuumlr bestimmte Anwendungen von Nutzen wie die folgenden Beispiele zeigen In der

2 1 Einleitung

Plasmaphysik werden damit extrem groszlige Magnetfelder zum kurzzeitigen Einschluss vonPlasmen erzeugt Bei elektrischen Punktschweiszligungen erreichen die Impulsstreuroome Schei-telwerte von bis zu 200 kA Elektronische Zuumlndsysteme fuumlr Verbrennungsmotoren erzeu-gen Impulsspannungen mit Scheitelwerten von maximal 30 kV In der Leistungselektroniktreten Impulsspannungen und -streuroome von mehreren 10 kV und bis zu 10 kA auf oderwerden zur Pruumlfung beneurootigt z B fuumlr Solarmodule Elektrizitaumltszaumlhler werden mitStoszligstreuroomen die aus einer netzfrequenten Sinushalbschwingung mit Amplituden vonmehreren Kiloampere bestehen gepruumlft In der Medizintechnik wird durch Umwandlungin akustische Stoszligwellen eine Zertruumlmmerung von Nieren- und Gallensteinen sowie vonKalkablagerungen in Gelenken erzielt Die Wirkung von Elektroimpulswaffen beruht aufSpannungsimpulsen die das Nervensystem des Getroffenen fuumlr eine begrenzte Zeit laumlh-men Schlieszliglich sei auf die vielfaumlltigen Anwendungen bei Untersuchungen zur elektro-magnetischen Vertraumlglichkeit von elektronischen Geraumlten bis hin zu sehr komplexenSystemen wie sie z B Flugzeuge darstellen verwiesen

Die Isolierung der Betriebsmittel wird durch die im Betrieb auftretenden Spannungenund Streuroome einer starken Beanspruchung unterzogen die die Lebensdauer beeinflusst DieKenntnis uumlber die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der verwendeten festenfluumlssigen und gasfeuroormigen Isolierstoffe ist daher ein wichtiger Teil der Hochspannungs-technik Wenn bei der Herstellung eines Betriebsmittels Fehler in der Isolierung auftretenz B bedingt durch Gaseinschluumlsse keuroonnen oberhalb einer bestimmten EinsetzspannungTeilentladungen entstehen Bei laumlngerer Einwirkung der Teilentladungen auf die umge-bende Isolierung kann es zu einer allmaumlhlichen Schaumldigung und schlieszliglich zum vollstaumln-digen Ausfall des Betriebsmittels kommen

Die Zuverlaumlssigkeit der elektrischen Energieversorgung ist eine wichtige Voraussetzungfuumlr eine florierende Wirtschaft in jedem Land und fuumlr das Wohlergehen der BeveuroolkerungJedes Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung wird daher vor seinem Einsatzeiner Reihe von Abnahmepruumlfungen unterzogen Damit werden im Pruumlflabor gegebenen-falls auch als Vor-Ort-Preuroufung am Einsatzort des Betriebsmittels die elektrischen mecha-nischen und thermischen Beanspruchungen nachgebildet die im praktischen Einsatz desBetriebsmittels auftreten keuroonnen Hierzu geheurooren zum einen Pruumlfungen mit der demNetzbetrieb entsprechenden Spannungs- oder Stromart zum anderen Pruumlfungen mit im-pulsfeuroormigen Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroomen Letztere werden im deutschsprachigenRaum als Stoszligspannungen bzw Stoszligstreuroome bezeichnet die den im Betrieb auftretendentransienten Spannungen und Streuroomen entsprechen Die Heuroohe der international genormtenPruumlfspannungen richtet sich nach der Bemessungsspannung der Betriebsmittel Mit sehrsteil ansteigenden Stoszligspannungen lassen sich zwischen platten- oder streifenfeuroormigenElektrodenanordnungen elektromagnetische Felder zur Vertraumlglichkeitspruumlfung elektroni-scher Geraumlte und Systeme erzeugen Auch die Wirkung des bei einer Nuklearexplosion ingroszliger Heuroohe ausgeleuroosten elektromagnetischen Impulses kann auf diese Weise simuliertwerden

Zusaumltzlich zu den Spannungspruumlfungen werden Betriebsmittel einer Teilentladungspruuml-fung im Pruumlflabor unterzogen Zwar ist das Phaumlnomen der Teilentladungen sehr vielschichtig

Einleitung 3

und noch nicht restlos geklaumlrt jedoch weiszlig man auf Grund jahrzehntelanger Erfahrungdass bei Uumlberschreiten einer fuumlr jedes Betriebsmittel individuellen Teilentladungsstaumlrkedie Gefahr einer langfristigen Schaumldigung der Isolierung besteht und das Betriebsmittelvorzeitig ausfaumlllt Zunehmend findet daher ein Online-Monitoring zur permanenten Uumlber-wachung der Teilentladungen statt um rechtzeitig einen meurooglichen Ausfall des Betriebs-mittels zu erkennen Weiterhin werden die elektrischen und dielektrischen Eigenschaftender Hochspannungsisolierung uumlberpruumlft Hierzu geheurooren Messgreurooszligen wie Isolationswider-stand Leitfaumlhigkeit Kapazitaumlt und Verlustfaktor des Pruumlflings

Bei allen Pruumlfungen ist eine fundierte Messtechnik erforderlich sei es weil eine Uumlber-oder Unterbeanspruchung des Betriebsmittels oder Pruumlflings vermieden werden soll oderweil die Qualitaumlt einer Anwendung z B bei einer medizinischen Behandlung oder beimelektrischen Punktschweiszligen gewaumlhrleistet sein muss Die Messung hoher Spannungenund Streuroome von Teilentladungen und dielektrischen Eigenschaften der Isolierstoffe weisteine lange Tradition auf wobei zwei entscheidende Veraumlnderungen eingetreten sind Dieseit Jahrzehnten eingesetzten mechanischen Messgeraumlte und angewandten Messverfahrenwurden schon vor einiger Zeit durch die Verfuumlgbarkeit elektronischer Messgeraumlte weitge-hend abgeleuroost Die Einfuumlhrung der digitalen Messtechnik mit numerischer Datenverarbei-tung stellt eine weitere entscheidende Zaumlsur dar und bedeutet das Ende fuumlr die meistenanalogen Messschaltungen und Messgeraumlte

Die bei Pruumlfungen eingesetzten Messmittel muumlssen hinsichtlich ihrer Messrichtigkeituumlberpruumlft sein In diesem Zusammenhang stehen Begriffe und Inhalte wie Qualitaumltssiche-rung Kalibrierung Ruumlckfuumlhrung der Messungen auf die SI-Einheiten Messunsicherheitinternational anerkannte Pruumlfvorschriften akkreditierte Pruumlf- und Kalibrierlaboratorien

Die Hochspannungs- und Energietechnik wird in der Fachliteratur ausgiebig behandeltvor allem in den aktuellen Konferenzbaumlnden nationaler und internationaler Vortragsveran-staltungen z B bdquoInternational Symposium on High Voltage Engineeringldquo (ISH) Zusam-menfassende Darstellungen finden sich in einer Reihe von Fachbuumlchern in denen dieentsprechende Messtechnik allerdings nur kurz dargestellt wird [1ndash5] Zu einzelnen The-men kann der findige Leser uumlber die bekannten Suchmaschinen auch im Internet mehr oderweniger detaillierte Informationen erhalten Die Fachbuumlcher [6ndash8] die sich speziell mit derHochspannungsmesstechnik oder mit Teilgebieten befassen sind bereits mehrere Jahr-zehnte alt oder nur als unveraumlnderter Nachdruck aumllterer Ausgaben vorhanden

Ein Teilgebiet der Hochspannungsmesstechnik die Messung von Stoszligspannungen undStoszligstreuroomen wird unter Einbeziehung der aktuellen IEC-Pruumlfbestimmungen Kalibrier-verfahren und Unsicherheitsberechnung in dem 2010 herausgegebenen Fachbuch [9]behandelt das 2013 auch in englischer Sprache erschien Das vorliegende Fachbuch stellteine Uumlberarbeitung und Erweiterung des Inhalts dieses Buches dar Es umfasst nun dieMesstechnik fuumlr Gleich- Wechsel- Stoszligspannungen und die entsprechenden StreuroomeTeilentladungen sowie elektrische und dielektrische Messgreurooszligen bei Hochspannung

4 1 Einleitung

Das Buch ist aus der Absicht entstanden die alten aber heute noch guumlltigen Grundlagen derHochspannungsmesstechnik mit den neueren Entwicklungen zu ergaumlnzen die sich alsKonsequenz der verbesserten geraumltetechnischen Ausstattung Einfuumlhrung der analog-digi-talen Datenumwandlung numerischen Datenverarbeitung und den geaumlnderten Pruumlfnormenergeben haben

Literatur

1 Beyer M Boeck W Meurooller K Zaengl W Hochspannungstechnik Theoretische und prakti-sche Grundlagen fuumlr die Anwendung Springer BerlinHeidelbergNew York (1986)

2 Kind D Feser K Hochspannungsversuchstechnik 5 Aufl Friedr Vieweg amp Sohn Braun-schweigWiesbaden (1995) Englische Ausgabe Kind D Feser K High-Voltage Test Techni-ques 2 Aufl Butterworth Heinemann Oxford (2001)

3 Kuumlchler A Hochspannungstechnik Grundlagen ndash Technologie ndashAnwendungen Bd 3 Springer-Verlag BerlinHeidelberg (2009) Englische Ausgabe Kuumlchler A High Voltage EngineeringFundamentals ndash Technology ndash Applications Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York(2013)

4 Kuffel E Zaengl WS Kuffel J High Voltage Engineering ndash Fundamentals 2 Aufl ElsevierNewness Oxford (2000)

5 Hauschild W Lemke E High-Voltage Test and Measuring Techniques Springer HeidelbergNew YorkDordrechtLondon (2013)

6 Schwab AJ Hochspannungsmesstechnik Messgeraumlte und Messverfahren Bd 2 2 Aufl SpringerBerlinHeidelbergNew York (1981) Englische Ausgabe Schwab AJ High-Voltage MeasurementTechniques MIT Press (1972)

7 Asner AM Stoszligspannungs-Meszligtechnik Springer BerlinHeidelbergNew York (1974)8 Hylteacuten-Cavallius N The measurement of high impulse voltages and currents In Claudi A

Bergman A Berlijn S Haumlllstreuroom J (Hrsg) A Review of Seven Decades of Development SPBoras (2004)

9 Schon K Stoszligspannungs- und Stoszligstrommesstechnik Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2010) Englische Ausgabe Schon K High Impulse Voltage and Current MeasurementTechniques Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2013)

Literatur 5

Hohe Wechselspannungen und -stroumlme 2

Die Uumlbertragung elektrischer Energie erfolgt uumlberwiegend mit hohen Wechselspannungenso dass dieser Spannungsart ndash und damit auch den Wechselstreuroomen ndash besondere Bedeutungzukommt Jedes Betriebsmittel fuumlr die elektrische Energieversorgung wird vor demEinsatz auf seine Zuverlaumlssigkeit gepruumlft wobei die Pruumlf- und Messverfahren sowieAnforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome in nationalen und internationalenPruumlfvorschriften festgelegt sind HoheWechselspannungen sind auch deshalb wichtig weilsie zur Erzeugung von Gleich- und Stoszligspannungen sowie fuumlr zahlreiche Anwendungen inPhysik und Technik beneurootigt werden Das Kapitel stellt die genormten Messgreurooszligen undMessverfahren vor geht kurz auf die hauptsaumlchlich verwendeten Spannungs- und Strom-erzeuger ein und befasst sich ausfuumlhrlich mit den Messsystemen und Messgeraumlten dieinzwischen weitgehend in digitaler Ausfuumlhrung mit rechnergestuumltzter Datenverarbeitungeingesetzt werden

21 Wechselspannungen

Die Pruumlf- und Messverfahren fuumlr Betriebsmittel der elektrischen Energieuumlbertragung ein-schlieszliglich der Anforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome sind in nationalenund internationalen Pruumlfvorschriften festgelegt [1ndash5] Hohe Wechselspannungen habenauch deshalb eine besondere Bedeutung da sie die Grundlage zur Erzeugung von Gleich-und Stoszligspannungen darstellen Alle Spannungsformen werden auszliger in der Energiever-sorgung auch fuumlr zahlreiche Aufgaben in Physik und Technik eingesetzt Fuumlr die imNiederspannungsbereich verwendeten Geraumlte mit Bemessungsspannungen von nicht mehrals 1 kV gelten besondere von den Hochspannungspruumlfvorschriften sinngemaumlszlig abgeleitetePruumlfvorschriften [6]

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_2

7

Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

ffiffiffi2

p eth22THORN

Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

u2dt

vuuut eth23THORN

mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

ucirc-

0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth24THORN

der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

i( t)

icirc

ts0

1

ab

2

t

i(t)icirc

0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Plasmaphysik werden damit extrem groszlige Magnetfelder zum kurzzeitigen Einschluss vonPlasmen erzeugt Bei elektrischen Punktschweiszligungen erreichen die Impulsstreuroome Schei-telwerte von bis zu 200 kA Elektronische Zuumlndsysteme fuumlr Verbrennungsmotoren erzeu-gen Impulsspannungen mit Scheitelwerten von maximal 30 kV In der Leistungselektroniktreten Impulsspannungen und -streuroome von mehreren 10 kV und bis zu 10 kA auf oderwerden zur Pruumlfung beneurootigt z B fuumlr Solarmodule Elektrizitaumltszaumlhler werden mitStoszligstreuroomen die aus einer netzfrequenten Sinushalbschwingung mit Amplituden vonmehreren Kiloampere bestehen gepruumlft In der Medizintechnik wird durch Umwandlungin akustische Stoszligwellen eine Zertruumlmmerung von Nieren- und Gallensteinen sowie vonKalkablagerungen in Gelenken erzielt Die Wirkung von Elektroimpulswaffen beruht aufSpannungsimpulsen die das Nervensystem des Getroffenen fuumlr eine begrenzte Zeit laumlh-men Schlieszliglich sei auf die vielfaumlltigen Anwendungen bei Untersuchungen zur elektro-magnetischen Vertraumlglichkeit von elektronischen Geraumlten bis hin zu sehr komplexenSystemen wie sie z B Flugzeuge darstellen verwiesen

Die Isolierung der Betriebsmittel wird durch die im Betrieb auftretenden Spannungenund Streuroome einer starken Beanspruchung unterzogen die die Lebensdauer beeinflusst DieKenntnis uumlber die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der verwendeten festenfluumlssigen und gasfeuroormigen Isolierstoffe ist daher ein wichtiger Teil der Hochspannungs-technik Wenn bei der Herstellung eines Betriebsmittels Fehler in der Isolierung auftretenz B bedingt durch Gaseinschluumlsse keuroonnen oberhalb einer bestimmten EinsetzspannungTeilentladungen entstehen Bei laumlngerer Einwirkung der Teilentladungen auf die umge-bende Isolierung kann es zu einer allmaumlhlichen Schaumldigung und schlieszliglich zum vollstaumln-digen Ausfall des Betriebsmittels kommen

Die Zuverlaumlssigkeit der elektrischen Energieversorgung ist eine wichtige Voraussetzungfuumlr eine florierende Wirtschaft in jedem Land und fuumlr das Wohlergehen der BeveuroolkerungJedes Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung wird daher vor seinem Einsatzeiner Reihe von Abnahmepruumlfungen unterzogen Damit werden im Pruumlflabor gegebenen-falls auch als Vor-Ort-Preuroufung am Einsatzort des Betriebsmittels die elektrischen mecha-nischen und thermischen Beanspruchungen nachgebildet die im praktischen Einsatz desBetriebsmittels auftreten keuroonnen Hierzu geheurooren zum einen Pruumlfungen mit der demNetzbetrieb entsprechenden Spannungs- oder Stromart zum anderen Pruumlfungen mit im-pulsfeuroormigen Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroomen Letztere werden im deutschsprachigenRaum als Stoszligspannungen bzw Stoszligstreuroome bezeichnet die den im Betrieb auftretendentransienten Spannungen und Streuroomen entsprechen Die Heuroohe der international genormtenPruumlfspannungen richtet sich nach der Bemessungsspannung der Betriebsmittel Mit sehrsteil ansteigenden Stoszligspannungen lassen sich zwischen platten- oder streifenfeuroormigenElektrodenanordnungen elektromagnetische Felder zur Vertraumlglichkeitspruumlfung elektroni-scher Geraumlte und Systeme erzeugen Auch die Wirkung des bei einer Nuklearexplosion ingroszliger Heuroohe ausgeleuroosten elektromagnetischen Impulses kann auf diese Weise simuliertwerden

Zusaumltzlich zu den Spannungspruumlfungen werden Betriebsmittel einer Teilentladungspruuml-fung im Pruumlflabor unterzogen Zwar ist das Phaumlnomen der Teilentladungen sehr vielschichtig

Einleitung 3

und noch nicht restlos geklaumlrt jedoch weiszlig man auf Grund jahrzehntelanger Erfahrungdass bei Uumlberschreiten einer fuumlr jedes Betriebsmittel individuellen Teilentladungsstaumlrkedie Gefahr einer langfristigen Schaumldigung der Isolierung besteht und das Betriebsmittelvorzeitig ausfaumlllt Zunehmend findet daher ein Online-Monitoring zur permanenten Uumlber-wachung der Teilentladungen statt um rechtzeitig einen meurooglichen Ausfall des Betriebs-mittels zu erkennen Weiterhin werden die elektrischen und dielektrischen Eigenschaftender Hochspannungsisolierung uumlberpruumlft Hierzu geheurooren Messgreurooszligen wie Isolationswider-stand Leitfaumlhigkeit Kapazitaumlt und Verlustfaktor des Pruumlflings

Bei allen Pruumlfungen ist eine fundierte Messtechnik erforderlich sei es weil eine Uumlber-oder Unterbeanspruchung des Betriebsmittels oder Pruumlflings vermieden werden soll oderweil die Qualitaumlt einer Anwendung z B bei einer medizinischen Behandlung oder beimelektrischen Punktschweiszligen gewaumlhrleistet sein muss Die Messung hoher Spannungenund Streuroome von Teilentladungen und dielektrischen Eigenschaften der Isolierstoffe weisteine lange Tradition auf wobei zwei entscheidende Veraumlnderungen eingetreten sind Dieseit Jahrzehnten eingesetzten mechanischen Messgeraumlte und angewandten Messverfahrenwurden schon vor einiger Zeit durch die Verfuumlgbarkeit elektronischer Messgeraumlte weitge-hend abgeleuroost Die Einfuumlhrung der digitalen Messtechnik mit numerischer Datenverarbei-tung stellt eine weitere entscheidende Zaumlsur dar und bedeutet das Ende fuumlr die meistenanalogen Messschaltungen und Messgeraumlte

Die bei Pruumlfungen eingesetzten Messmittel muumlssen hinsichtlich ihrer Messrichtigkeituumlberpruumlft sein In diesem Zusammenhang stehen Begriffe und Inhalte wie Qualitaumltssiche-rung Kalibrierung Ruumlckfuumlhrung der Messungen auf die SI-Einheiten Messunsicherheitinternational anerkannte Pruumlfvorschriften akkreditierte Pruumlf- und Kalibrierlaboratorien

Die Hochspannungs- und Energietechnik wird in der Fachliteratur ausgiebig behandeltvor allem in den aktuellen Konferenzbaumlnden nationaler und internationaler Vortragsveran-staltungen z B bdquoInternational Symposium on High Voltage Engineeringldquo (ISH) Zusam-menfassende Darstellungen finden sich in einer Reihe von Fachbuumlchern in denen dieentsprechende Messtechnik allerdings nur kurz dargestellt wird [1ndash5] Zu einzelnen The-men kann der findige Leser uumlber die bekannten Suchmaschinen auch im Internet mehr oderweniger detaillierte Informationen erhalten Die Fachbuumlcher [6ndash8] die sich speziell mit derHochspannungsmesstechnik oder mit Teilgebieten befassen sind bereits mehrere Jahr-zehnte alt oder nur als unveraumlnderter Nachdruck aumllterer Ausgaben vorhanden

Ein Teilgebiet der Hochspannungsmesstechnik die Messung von Stoszligspannungen undStoszligstreuroomen wird unter Einbeziehung der aktuellen IEC-Pruumlfbestimmungen Kalibrier-verfahren und Unsicherheitsberechnung in dem 2010 herausgegebenen Fachbuch [9]behandelt das 2013 auch in englischer Sprache erschien Das vorliegende Fachbuch stellteine Uumlberarbeitung und Erweiterung des Inhalts dieses Buches dar Es umfasst nun dieMesstechnik fuumlr Gleich- Wechsel- Stoszligspannungen und die entsprechenden StreuroomeTeilentladungen sowie elektrische und dielektrische Messgreurooszligen bei Hochspannung

4 1 Einleitung

Das Buch ist aus der Absicht entstanden die alten aber heute noch guumlltigen Grundlagen derHochspannungsmesstechnik mit den neueren Entwicklungen zu ergaumlnzen die sich alsKonsequenz der verbesserten geraumltetechnischen Ausstattung Einfuumlhrung der analog-digi-talen Datenumwandlung numerischen Datenverarbeitung und den geaumlnderten Pruumlfnormenergeben haben

Literatur

1 Beyer M Boeck W Meurooller K Zaengl W Hochspannungstechnik Theoretische und prakti-sche Grundlagen fuumlr die Anwendung Springer BerlinHeidelbergNew York (1986)

2 Kind D Feser K Hochspannungsversuchstechnik 5 Aufl Friedr Vieweg amp Sohn Braun-schweigWiesbaden (1995) Englische Ausgabe Kind D Feser K High-Voltage Test Techni-ques 2 Aufl Butterworth Heinemann Oxford (2001)

3 Kuumlchler A Hochspannungstechnik Grundlagen ndash Technologie ndashAnwendungen Bd 3 Springer-Verlag BerlinHeidelberg (2009) Englische Ausgabe Kuumlchler A High Voltage EngineeringFundamentals ndash Technology ndash Applications Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York(2013)

4 Kuffel E Zaengl WS Kuffel J High Voltage Engineering ndash Fundamentals 2 Aufl ElsevierNewness Oxford (2000)

5 Hauschild W Lemke E High-Voltage Test and Measuring Techniques Springer HeidelbergNew YorkDordrechtLondon (2013)

6 Schwab AJ Hochspannungsmesstechnik Messgeraumlte und Messverfahren Bd 2 2 Aufl SpringerBerlinHeidelbergNew York (1981) Englische Ausgabe Schwab AJ High-Voltage MeasurementTechniques MIT Press (1972)

7 Asner AM Stoszligspannungs-Meszligtechnik Springer BerlinHeidelbergNew York (1974)8 Hylteacuten-Cavallius N The measurement of high impulse voltages and currents In Claudi A

Bergman A Berlijn S Haumlllstreuroom J (Hrsg) A Review of Seven Decades of Development SPBoras (2004)

9 Schon K Stoszligspannungs- und Stoszligstrommesstechnik Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2010) Englische Ausgabe Schon K High Impulse Voltage and Current MeasurementTechniques Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2013)

Literatur 5

Hohe Wechselspannungen und -stroumlme 2

Die Uumlbertragung elektrischer Energie erfolgt uumlberwiegend mit hohen Wechselspannungenso dass dieser Spannungsart ndash und damit auch den Wechselstreuroomen ndash besondere Bedeutungzukommt Jedes Betriebsmittel fuumlr die elektrische Energieversorgung wird vor demEinsatz auf seine Zuverlaumlssigkeit gepruumlft wobei die Pruumlf- und Messverfahren sowieAnforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome in nationalen und internationalenPruumlfvorschriften festgelegt sind HoheWechselspannungen sind auch deshalb wichtig weilsie zur Erzeugung von Gleich- und Stoszligspannungen sowie fuumlr zahlreiche Anwendungen inPhysik und Technik beneurootigt werden Das Kapitel stellt die genormten Messgreurooszligen undMessverfahren vor geht kurz auf die hauptsaumlchlich verwendeten Spannungs- und Strom-erzeuger ein und befasst sich ausfuumlhrlich mit den Messsystemen und Messgeraumlten dieinzwischen weitgehend in digitaler Ausfuumlhrung mit rechnergestuumltzter Datenverarbeitungeingesetzt werden

21 Wechselspannungen

Die Pruumlf- und Messverfahren fuumlr Betriebsmittel der elektrischen Energieuumlbertragung ein-schlieszliglich der Anforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome sind in nationalenund internationalen Pruumlfvorschriften festgelegt [1ndash5] Hohe Wechselspannungen habenauch deshalb eine besondere Bedeutung da sie die Grundlage zur Erzeugung von Gleich-und Stoszligspannungen darstellen Alle Spannungsformen werden auszliger in der Energiever-sorgung auch fuumlr zahlreiche Aufgaben in Physik und Technik eingesetzt Fuumlr die imNiederspannungsbereich verwendeten Geraumlte mit Bemessungsspannungen von nicht mehrals 1 kV gelten besondere von den Hochspannungspruumlfvorschriften sinngemaumlszlig abgeleitetePruumlfvorschriften [6]

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_2

7

Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

ffiffiffi2

p eth22THORN

Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

u2dt

vuuut eth23THORN

mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

ucirc-

0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth24THORN

der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

i( t)

icirc

ts0

1

ab

2

t

i(t)icirc

0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

und noch nicht restlos geklaumlrt jedoch weiszlig man auf Grund jahrzehntelanger Erfahrungdass bei Uumlberschreiten einer fuumlr jedes Betriebsmittel individuellen Teilentladungsstaumlrkedie Gefahr einer langfristigen Schaumldigung der Isolierung besteht und das Betriebsmittelvorzeitig ausfaumlllt Zunehmend findet daher ein Online-Monitoring zur permanenten Uumlber-wachung der Teilentladungen statt um rechtzeitig einen meurooglichen Ausfall des Betriebs-mittels zu erkennen Weiterhin werden die elektrischen und dielektrischen Eigenschaftender Hochspannungsisolierung uumlberpruumlft Hierzu geheurooren Messgreurooszligen wie Isolationswider-stand Leitfaumlhigkeit Kapazitaumlt und Verlustfaktor des Pruumlflings

Bei allen Pruumlfungen ist eine fundierte Messtechnik erforderlich sei es weil eine Uumlber-oder Unterbeanspruchung des Betriebsmittels oder Pruumlflings vermieden werden soll oderweil die Qualitaumlt einer Anwendung z B bei einer medizinischen Behandlung oder beimelektrischen Punktschweiszligen gewaumlhrleistet sein muss Die Messung hoher Spannungenund Streuroome von Teilentladungen und dielektrischen Eigenschaften der Isolierstoffe weisteine lange Tradition auf wobei zwei entscheidende Veraumlnderungen eingetreten sind Dieseit Jahrzehnten eingesetzten mechanischen Messgeraumlte und angewandten Messverfahrenwurden schon vor einiger Zeit durch die Verfuumlgbarkeit elektronischer Messgeraumlte weitge-hend abgeleuroost Die Einfuumlhrung der digitalen Messtechnik mit numerischer Datenverarbei-tung stellt eine weitere entscheidende Zaumlsur dar und bedeutet das Ende fuumlr die meistenanalogen Messschaltungen und Messgeraumlte

Die bei Pruumlfungen eingesetzten Messmittel muumlssen hinsichtlich ihrer Messrichtigkeituumlberpruumlft sein In diesem Zusammenhang stehen Begriffe und Inhalte wie Qualitaumltssiche-rung Kalibrierung Ruumlckfuumlhrung der Messungen auf die SI-Einheiten Messunsicherheitinternational anerkannte Pruumlfvorschriften akkreditierte Pruumlf- und Kalibrierlaboratorien

Die Hochspannungs- und Energietechnik wird in der Fachliteratur ausgiebig behandeltvor allem in den aktuellen Konferenzbaumlnden nationaler und internationaler Vortragsveran-staltungen z B bdquoInternational Symposium on High Voltage Engineeringldquo (ISH) Zusam-menfassende Darstellungen finden sich in einer Reihe von Fachbuumlchern in denen dieentsprechende Messtechnik allerdings nur kurz dargestellt wird [1ndash5] Zu einzelnen The-men kann der findige Leser uumlber die bekannten Suchmaschinen auch im Internet mehr oderweniger detaillierte Informationen erhalten Die Fachbuumlcher [6ndash8] die sich speziell mit derHochspannungsmesstechnik oder mit Teilgebieten befassen sind bereits mehrere Jahr-zehnte alt oder nur als unveraumlnderter Nachdruck aumllterer Ausgaben vorhanden

Ein Teilgebiet der Hochspannungsmesstechnik die Messung von Stoszligspannungen undStoszligstreuroomen wird unter Einbeziehung der aktuellen IEC-Pruumlfbestimmungen Kalibrier-verfahren und Unsicherheitsberechnung in dem 2010 herausgegebenen Fachbuch [9]behandelt das 2013 auch in englischer Sprache erschien Das vorliegende Fachbuch stellteine Uumlberarbeitung und Erweiterung des Inhalts dieses Buches dar Es umfasst nun dieMesstechnik fuumlr Gleich- Wechsel- Stoszligspannungen und die entsprechenden StreuroomeTeilentladungen sowie elektrische und dielektrische Messgreurooszligen bei Hochspannung

4 1 Einleitung

Das Buch ist aus der Absicht entstanden die alten aber heute noch guumlltigen Grundlagen derHochspannungsmesstechnik mit den neueren Entwicklungen zu ergaumlnzen die sich alsKonsequenz der verbesserten geraumltetechnischen Ausstattung Einfuumlhrung der analog-digi-talen Datenumwandlung numerischen Datenverarbeitung und den geaumlnderten Pruumlfnormenergeben haben

Literatur

1 Beyer M Boeck W Meurooller K Zaengl W Hochspannungstechnik Theoretische und prakti-sche Grundlagen fuumlr die Anwendung Springer BerlinHeidelbergNew York (1986)

2 Kind D Feser K Hochspannungsversuchstechnik 5 Aufl Friedr Vieweg amp Sohn Braun-schweigWiesbaden (1995) Englische Ausgabe Kind D Feser K High-Voltage Test Techni-ques 2 Aufl Butterworth Heinemann Oxford (2001)

3 Kuumlchler A Hochspannungstechnik Grundlagen ndash Technologie ndashAnwendungen Bd 3 Springer-Verlag BerlinHeidelberg (2009) Englische Ausgabe Kuumlchler A High Voltage EngineeringFundamentals ndash Technology ndash Applications Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York(2013)

4 Kuffel E Zaengl WS Kuffel J High Voltage Engineering ndash Fundamentals 2 Aufl ElsevierNewness Oxford (2000)

5 Hauschild W Lemke E High-Voltage Test and Measuring Techniques Springer HeidelbergNew YorkDordrechtLondon (2013)

6 Schwab AJ Hochspannungsmesstechnik Messgeraumlte und Messverfahren Bd 2 2 Aufl SpringerBerlinHeidelbergNew York (1981) Englische Ausgabe Schwab AJ High-Voltage MeasurementTechniques MIT Press (1972)

7 Asner AM Stoszligspannungs-Meszligtechnik Springer BerlinHeidelbergNew York (1974)8 Hylteacuten-Cavallius N The measurement of high impulse voltages and currents In Claudi A

Bergman A Berlijn S Haumlllstreuroom J (Hrsg) A Review of Seven Decades of Development SPBoras (2004)

9 Schon K Stoszligspannungs- und Stoszligstrommesstechnik Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2010) Englische Ausgabe Schon K High Impulse Voltage and Current MeasurementTechniques Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2013)

Literatur 5

Hohe Wechselspannungen und -stroumlme 2

Die Uumlbertragung elektrischer Energie erfolgt uumlberwiegend mit hohen Wechselspannungenso dass dieser Spannungsart ndash und damit auch den Wechselstreuroomen ndash besondere Bedeutungzukommt Jedes Betriebsmittel fuumlr die elektrische Energieversorgung wird vor demEinsatz auf seine Zuverlaumlssigkeit gepruumlft wobei die Pruumlf- und Messverfahren sowieAnforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome in nationalen und internationalenPruumlfvorschriften festgelegt sind HoheWechselspannungen sind auch deshalb wichtig weilsie zur Erzeugung von Gleich- und Stoszligspannungen sowie fuumlr zahlreiche Anwendungen inPhysik und Technik beneurootigt werden Das Kapitel stellt die genormten Messgreurooszligen undMessverfahren vor geht kurz auf die hauptsaumlchlich verwendeten Spannungs- und Strom-erzeuger ein und befasst sich ausfuumlhrlich mit den Messsystemen und Messgeraumlten dieinzwischen weitgehend in digitaler Ausfuumlhrung mit rechnergestuumltzter Datenverarbeitungeingesetzt werden

21 Wechselspannungen

Die Pruumlf- und Messverfahren fuumlr Betriebsmittel der elektrischen Energieuumlbertragung ein-schlieszliglich der Anforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome sind in nationalenund internationalen Pruumlfvorschriften festgelegt [1ndash5] Hohe Wechselspannungen habenauch deshalb eine besondere Bedeutung da sie die Grundlage zur Erzeugung von Gleich-und Stoszligspannungen darstellen Alle Spannungsformen werden auszliger in der Energiever-sorgung auch fuumlr zahlreiche Aufgaben in Physik und Technik eingesetzt Fuumlr die imNiederspannungsbereich verwendeten Geraumlte mit Bemessungsspannungen von nicht mehrals 1 kV gelten besondere von den Hochspannungspruumlfvorschriften sinngemaumlszlig abgeleitetePruumlfvorschriften [6]

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_2

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Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

ffiffiffi2

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Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

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mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

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0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

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der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

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I2eff n

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Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

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vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

i( t)

icirc

ts0

1

ab

2

t

i(t)icirc

0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Das Buch ist aus der Absicht entstanden die alten aber heute noch guumlltigen Grundlagen derHochspannungsmesstechnik mit den neueren Entwicklungen zu ergaumlnzen die sich alsKonsequenz der verbesserten geraumltetechnischen Ausstattung Einfuumlhrung der analog-digi-talen Datenumwandlung numerischen Datenverarbeitung und den geaumlnderten Pruumlfnormenergeben haben

Literatur

1 Beyer M Boeck W Meurooller K Zaengl W Hochspannungstechnik Theoretische und prakti-sche Grundlagen fuumlr die Anwendung Springer BerlinHeidelbergNew York (1986)

2 Kind D Feser K Hochspannungsversuchstechnik 5 Aufl Friedr Vieweg amp Sohn Braun-schweigWiesbaden (1995) Englische Ausgabe Kind D Feser K High-Voltage Test Techni-ques 2 Aufl Butterworth Heinemann Oxford (2001)

3 Kuumlchler A Hochspannungstechnik Grundlagen ndash Technologie ndashAnwendungen Bd 3 Springer-Verlag BerlinHeidelberg (2009) Englische Ausgabe Kuumlchler A High Voltage EngineeringFundamentals ndash Technology ndash Applications Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York(2013)

4 Kuffel E Zaengl WS Kuffel J High Voltage Engineering ndash Fundamentals 2 Aufl ElsevierNewness Oxford (2000)

5 Hauschild W Lemke E High-Voltage Test and Measuring Techniques Springer HeidelbergNew YorkDordrechtLondon (2013)

6 Schwab AJ Hochspannungsmesstechnik Messgeraumlte und Messverfahren Bd 2 2 Aufl SpringerBerlinHeidelbergNew York (1981) Englische Ausgabe Schwab AJ High-Voltage MeasurementTechniques MIT Press (1972)

7 Asner AM Stoszligspannungs-Meszligtechnik Springer BerlinHeidelbergNew York (1974)8 Hylteacuten-Cavallius N The measurement of high impulse voltages and currents In Claudi A

Bergman A Berlijn S Haumlllstreuroom J (Hrsg) A Review of Seven Decades of Development SPBoras (2004)

9 Schon K Stoszligspannungs- und Stoszligstrommesstechnik Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2010) Englische Ausgabe Schon K High Impulse Voltage and Current MeasurementTechniques Springer HeidelbergDordrechtLondonNew York (2013)

Literatur 5

Hohe Wechselspannungen und -stroumlme 2

Die Uumlbertragung elektrischer Energie erfolgt uumlberwiegend mit hohen Wechselspannungenso dass dieser Spannungsart ndash und damit auch den Wechselstreuroomen ndash besondere Bedeutungzukommt Jedes Betriebsmittel fuumlr die elektrische Energieversorgung wird vor demEinsatz auf seine Zuverlaumlssigkeit gepruumlft wobei die Pruumlf- und Messverfahren sowieAnforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome in nationalen und internationalenPruumlfvorschriften festgelegt sind HoheWechselspannungen sind auch deshalb wichtig weilsie zur Erzeugung von Gleich- und Stoszligspannungen sowie fuumlr zahlreiche Anwendungen inPhysik und Technik beneurootigt werden Das Kapitel stellt die genormten Messgreurooszligen undMessverfahren vor geht kurz auf die hauptsaumlchlich verwendeten Spannungs- und Strom-erzeuger ein und befasst sich ausfuumlhrlich mit den Messsystemen und Messgeraumlten dieinzwischen weitgehend in digitaler Ausfuumlhrung mit rechnergestuumltzter Datenverarbeitungeingesetzt werden

21 Wechselspannungen

Die Pruumlf- und Messverfahren fuumlr Betriebsmittel der elektrischen Energieuumlbertragung ein-schlieszliglich der Anforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome sind in nationalenund internationalen Pruumlfvorschriften festgelegt [1ndash5] Hohe Wechselspannungen habenauch deshalb eine besondere Bedeutung da sie die Grundlage zur Erzeugung von Gleich-und Stoszligspannungen darstellen Alle Spannungsformen werden auszliger in der Energiever-sorgung auch fuumlr zahlreiche Aufgaben in Physik und Technik eingesetzt Fuumlr die imNiederspannungsbereich verwendeten Geraumlte mit Bemessungsspannungen von nicht mehrals 1 kV gelten besondere von den Hochspannungspruumlfvorschriften sinngemaumlszlig abgeleitetePruumlfvorschriften [6]

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_2

7

Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

ffiffiffi2

p eth22THORN

Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

u2dt

vuuut eth23THORN

mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

ucirc-

0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth24THORN

der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

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1

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A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Hohe Wechselspannungen und -stroumlme 2

Die Uumlbertragung elektrischer Energie erfolgt uumlberwiegend mit hohen Wechselspannungenso dass dieser Spannungsart ndash und damit auch den Wechselstreuroomen ndash besondere Bedeutungzukommt Jedes Betriebsmittel fuumlr die elektrische Energieversorgung wird vor demEinsatz auf seine Zuverlaumlssigkeit gepruumlft wobei die Pruumlf- und Messverfahren sowieAnforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome in nationalen und internationalenPruumlfvorschriften festgelegt sind HoheWechselspannungen sind auch deshalb wichtig weilsie zur Erzeugung von Gleich- und Stoszligspannungen sowie fuumlr zahlreiche Anwendungen inPhysik und Technik beneurootigt werden Das Kapitel stellt die genormten Messgreurooszligen undMessverfahren vor geht kurz auf die hauptsaumlchlich verwendeten Spannungs- und Strom-erzeuger ein und befasst sich ausfuumlhrlich mit den Messsystemen und Messgeraumlten dieinzwischen weitgehend in digitaler Ausfuumlhrung mit rechnergestuumltzter Datenverarbeitungeingesetzt werden

21 Wechselspannungen

Die Pruumlf- und Messverfahren fuumlr Betriebsmittel der elektrischen Energieuumlbertragung ein-schlieszliglich der Anforderungen an die Pruumlfspannungen und Pruumlfstreuroome sind in nationalenund internationalen Pruumlfvorschriften festgelegt [1ndash5] Hohe Wechselspannungen habenauch deshalb eine besondere Bedeutung da sie die Grundlage zur Erzeugung von Gleich-und Stoszligspannungen darstellen Alle Spannungsformen werden auszliger in der Energiever-sorgung auch fuumlr zahlreiche Aufgaben in Physik und Technik eingesetzt Fuumlr die imNiederspannungsbereich verwendeten Geraumlte mit Bemessungsspannungen von nicht mehrals 1 kV gelten besondere von den Hochspannungspruumlfvorschriften sinngemaumlszlig abgeleitetePruumlfvorschriften [6]

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016K Schon HochspannungsmesstechnikDOI 101007978-3-658-15178-2_2

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Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

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p eth22THORN

Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

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mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

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0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

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T

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der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

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wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

i( t)

icirc

ts0

1

ab

2

t

i(t)icirc

0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Die Begriffe und Anforderungen bei der Erzeugung von Pruumlfwechselspannungen sindin IEC 60060-1 [1] die Bestimmungen fuumlr die Messung in IEC 60060-2 [2] niedergelegtDie erzeugte Pruumlfwechselspannung soll einen annaumlhernd sinusfeuroormigen Verlauf mit einerFrequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz aufweisen Bei Bedarf ist eine andere Frequenzmeurooglich z B 167 Hz zur Pruumlfung der Betriebsmittel der Deutschen Bahn Der Scheitel-wert der Wechselspannung ist definiert als Mittelwert der positiven und negativen Maxi-malwerte

u frac14 u thorn thorn u 2

eth21THORN

Die Differenz zwischen den positiven und negativen Scheitelwerten muss kleiner als 2

sein Der Scheitelwert u dividiert durch radic2 ergibt denWert der Preuroufwechselspannung derdie Wechselspannung charakterisiert und auf den sich die Anforderungen in denPruumlfbestimmungen beziehen (Abb 21)

upruumlf frac14 uffiffiffi2

p frac14 u thorn thorn u 2

ffiffiffi2

p eth22THORN

Aumlltere analoge Scheitelspannungsmessgeraumlte messen haumlufig nur den Maximalwert einerPolaritaumlt Weichen die Messwerte u+ und u um weniger als 2 voneinander ab wird derangezeigte Maximalwert als Scheitelwert u nach Gl (21) akzeptiert Bei einer Pruumlfdauervon nicht mehr als 1 min darf der Pruumlfspannungswert nur um 1 vom festgelegten Wertabweichen (3 bei laumlngerer Pruumlfdauer)

Anmerkung Die Festlegung des Scheitelwertes dividiert durch radic2 alsPruumlfspannungswert upruumlf beruht darauf dass der Durchschlag einer Isolierungin der Regel vom Spannungsmaximum abhaumlngt ndash abgesehen vom Waumlrme-durchschlag bei Dauerbelastung

Gelegentlich z B bei der Untersuchung thermischer Effekte ist als Pruumlfspannungswertder Effektivwert zu bestimmen

ueff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

u2dt

vuuut eth23THORN

mit T als ganzzahliger Periodendauer der Wechselspannung Bei reiner Sinusform sindbeide Pruumlfspannungswerte nach Gl (22) und (23) identisch Die von Transformatorenerzeugten Pruumlfwechselspannungen sind in der Regel nicht rein sinusfeuroormig sondern vonHarmonischen der Netzfrequenz uumlberlagert Die Spannungsform und damit das Ergebnis

8 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

ucirc-

0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth24THORN

der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

i( t)

icirc

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1

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2

t

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0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

der Spannungspruumlfung wird als akzeptabel betrachtet wenn der Quotient Scheitelwert zu

Effektivwert dem Wert radic2 innerhalb von 5 entsprichtDer Pruumlfspannungswert nach Gl (22) oder Gl (23) ist mit einem geeigneten Messsys-

tem mit einer Unsicherheit von nicht mehr als 3 zu messen Weitere Anforderungenbetreffen den Frequenzgang Wird das Messsystem zur Spannungsmessung bei einereinzigen Frequenz fnom eingesetzt darf sich der Frequenzgang innerhalb von fnom bis 7fnomnur um 1 aumlndern Fuumlr einen greurooszligeren Frequenzbereich der zu messenden Wechsel-spannung z B fnom1frac14 45 Hz bis fnom2frac14 65 Hz muss der Frequenzgang von 45 Hz bismindestens 765 Hzfrac14 455 Hz innerhalb von 1 konstant sein Der Verlauf desFrequenzgangs oberhalb von 7fnom unterliegt weiteren Festlegungen Die Anforderungenan den Frequenzgang des Messsystems werden als ausreichend betrachtet um den aufWechselspannungen bezogenen THD-Wert (s Abschn 221) zu bestimmen ohne dasAnforderungen hierfuumlr gestellt sind

Die Vor-Ort-Preuroufung mit Wechselspannung dient vor allem dem Nachweis der ord-nungsgemaumlszligen Montage eines vollstaumlndigen Betriebssystems dessen Einzelkomponentenbereits im Hochspannungslabor umfassend gepruumlft wurden [3 7] Bei Vor-Ort-Pruumlfungengelten teilweise greurooszligere Toleranzen und Messunsicherheiten die im Vergleich zuPruumlfungen im Hochspannungslabor in Tab 21 zusammengefasst sind Der Frequenzbe-reich der erzeugten Pruumlfspannung fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen ist erweitert und reicht von 10 Hzbis 500 Hz wobei niedrige Frequenzen z B fuumlr Kabelpruumlfungen vorteilhaft sind

22 Wechselstroumlme

In Verbindung mit hohen Wechselspannungen in der elektrischen Energieversorgung tretenauch hohe Wechselstreuroome auf Die Pruumlfvorschriften hierzu sind formal denen fuumlr hoheWechselspannungen weitgehend angeglichen und 2010 in einer neuen Publikation IEC62475 ndash zusammen mit Gleich- und Stoszligstreuroomen ndash herausgegeben [4] Grundlage fuumlr diePruumlfbestimmungen sind u a die in den groszligen europaumlischen Leistungspruumlffeldern ange-wendeten Pruumlf- und Messverfahren Hierzu wurden im Rahmen von Vergleichsmessungen

t

ucirc+

0

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0 20 40 60ms

u

2ucirc

Abb 21 Beispiel einersinusfeuroormigenWechselspannung mit demScheitelwert ufrac14 (u+ + u)2 unddem Wert der Pruumlf-wechselspannung upruumlffrac14 uradic2

22 Wechselstreuroome 9

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth24THORN

der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiXNnfrac142

I2eff n

s

I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

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i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

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1

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A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Untersuchungen an zwei Transfernormalen einem Koaxialshunt und einer Rogowski-Spule durchgefuumlhrt [8] Die Anforderungen in IEC 62475 gelten fuumlr die im Hochspan-nungs- und Leistungsbereich verwendeten Pruumlfstreuroome von mehr als 100 A wobei zwi-schen stationaumlren Wechselstreuroomen und Kurzzeitwechselstreuroomen unterschieden wird

221 Stationaumlrer Wechselstrom

Der Pruumlfstrom ist ein Wechselstrom mit annaumlhernd sinusfeuroormigem Zeitverlauf und einerFrequenz die in der Regel zwischen 45 Hz und 65 Hz liegt aber auch je nach Betriebs-einsatz des Pruumlflings einen anderen Wert aufweisen kann Der Wert des Pruumlfstromes i(t) istder wahre Effektivwert

I eff frac14

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T

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der uumlber eine ganzzahlige Anzahl von Perioden T ermittelt wird Die Toleranz bei derErzeugung des stationaumlren Pruumlfwechselstromes ist auf 3 festgelegt Der Unterschiedzwischen den positiven und negativen Scheitelwerten soll weniger als 2 betragen

Zur genauerenBeurteilung der Sinusformdes Pruumlfstromeswird derOberschwingungsgehaltTHD herangezogen

THD frac14

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I eff 1 eth25THORN

Hierbei sind Ieff1 der Effektivwert der Grundschwingung (nfrac14 1) und Ieffn der Effektivwertder n-ten Oberschwingung mit nfrac14 2 bis nfrac14 50 Der Oberschwingungsgehalt THD nachGl (25) darf nicht mehr als 5 des Effektivwertes der Grundschwingung Ieff1 betragen

Tab 21 Anforderungen an die Pruumlfwechselspannung und das Messsystem bei Pruumlfungen imHochspannungslabor und bei Vor-Ort-Pruumlfungen

Wechselspannung Pruumlfung im Labor Vor-Ort-Pruumlfung

Toleranz uradic2 (Pruumlfdauer 1 min)uradic2 (Pruumlfdauergt 1 min)Quotient uueff

13radic2 5

35radic2 15

Messunsicherheit Pruumlfspannungswert uradic2Maszligstabsfaktor F

31

52

10 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1

T

ZT0

i2 teth THORNdt

vuuut eth26THORN

wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

t

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ts0

1

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2

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0

A

Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Fuumlr den Frequenzgang des bei Pruumlfungen eingesetzten Messsystems gelten die gleichenAnforderungen wie fuumlr Messsysteme die zur Messung von Wechselspannungen mitFrequenzen von fnom1 bis fnom2 zugelassen sind (s Abschn 21) Innerhalb des Frequenz-bereichs von fnom1 bis 7fnom2 darf sich der Frequenzgang bzw der Maszligstabsfaktor nur um1 aumlndern Der Verlauf des Frequenzgangs auszligerhalb des nutzbaren Frequenzbereichsunterliegt weiteren Festlegungen

222 Kurzzeitwechselstrom

Die Pruumlfung mit Kurzzeitwechselstreuroomen simuliert die Beanspruchung die Betriebsmittelbei einem Kurzschluss im Versorgungsnetz aushalten muumlssen Der Schaltwinkel ψ kenn-zeichnet den Zeitpunkt zu dem der Kurzschluss beginnt bezogen auf den Nulldurchgangder Netzspannung Er bestimmt maszliggeblich den Zeitverlauf des Kurzzeitwechselstromesder nur eine bestimmte Anzahl von Perioden andauert Im Allgemeinen ergibt sich einunsymmetrischer Verlauf des Pruumlfstromes der durch einen netzfrequenten Wechselstrommit uumlberlagertem transientem Gleichstromanteil charakterisiert ist (Abb 22a) Im Extrem-fall erreicht der Scheitelwert ı des Kurzzeitwechselstromes infolge des uumlberlagerten Gleich-anteils nahezu die doppelte Amplitude des stationaumlren Wechselstromes Die maximaleStromstaumlrke kann dadurch mehrere 100 kA betragen Nach exponentiellem Abklingendes Gleichstromanteils eilt der Kurzzeitwechselstrom der Spannung um den Phasenwinkelφ nach der durch den Widerstand und die Induktivitaumlt des Kurzschlusskreises gegeben istBei bestimmten Schalt- und Phasenverhaumlltnissen entsteht ein symmetrischer Kurzzeit-wechselstrom ohne Gleichanteil (Abb 22b)

Im normativen Hauptteil von IEC 62475 [4] wird der Kurzzeitwechselstrom durchseinen Scheitelwert ı und den Effektivwert der symmetrischen Wechselstromkomponentecharakterisiert der sich aus der Differenz A der oberen und unteren Einhuumlllenden des

Kurzschlussstromes dividiert durch 2radic2 ergibt (s Abb 22a) Weiterhin ist der wahreEffektivwert Irms unter Einbeziehung der Gleichstromkomponente 2 definiert

I rms frac14

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wobei T die Zeit ist bei der der Strom nicht mehr von Null abweicht Andere Parameter desPruumlfstromes sind die Frequenz Dauer und der Impedanzwinkel φ Im informativen Anhangder Pruumlfvorschrift werden zusaumltzliche Effektivwerte definiert z B der konventionelleEffektivwert der Wechselstromkomponente als Differenz zwischen dem Scheitelwert einerHalbschwingung und dem Mittel der beiden benachbarten Scheitelwerte mit entgegen

gesetzter Polaritaumlt dividiert durch 2radic2 (Drei-Scheitel-Verfahren)

22 Wechselstreuroome 11

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

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Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

Die Toleranzgrenzen bei der Erzeugung von Kurzzeitwechselstreuroomen betragen jeweils

5 fuumlr den Scheitelwert ı und die symmetrische Wechselstromkomponente A(2radic2)(Effektivwert) Die erweiterte Messunsicherheit fuumlr beide Messgreurooszligen darf 5 nichtuumlberschreiten Die geforderte Bandbreite des Messsystems reicht je nach Pruumlfling von0 oder 02 Hz bis zu 7fnom wobei fnom die Grundfrequenz ist (s Abschn 83)

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen

Einige haumlufig eingesetzte Erzeugeranlagen fuumlr hohe Wechselspannungen werden in diesemKapitel kurz behandelt da deren typische Eigenschaften z B der Oberschwingungsgehaltoder das Auftreten von Teilentladungen Einfluss auf die Pruumlfung und Messung habenkeuroonnen Hohe Wechselspannungen werden vorwiegend mit Transformatoren erzeugt dieje nach ihrer Bestimmung eine Gieszligharz- Oumll- oder SF6-Isolierung aufweisen Sie sindentweder einstufig oder zur Erzeugung von Spannungen von mehr als 600 kV in Kaskadegeschaltet Daneben gibt es Resonanzanlagen auch in Kaskadenschaltung die auf Grundihrer kleineren Abmessungen bei nicht zu groszliger beneurootigter Erregerleistung haumlufig fuumlr Vor-Ort-Preuroufungen Einsatz finden Die mit Transformatoren erzeugten Wechselspannungenwerden in erster Linie zur Pruumlfung von Betriebsmitteln und Bauteilen fuumlr die elektrischeEnergieversorgung aber natuumlrlich auch zur Kalibrierung der verwendeten Messsystemeeingesetzt Weitere Einsatzgebiete sind Messungen von dielektrischen Eigenschaften(s Kap 11) und Teilentladungen (s Kap 12) Die vor allem in Asien eingefuumlhrten heuroochstenSpannungsebenen von bis zu 1000 kV Wechselspannung erfordern entsprechend hohePruumlfspannungen die nur in wenigen Pruumlflaboratorien einiger Industrielaumlnder erzeugt wer-den keuroonnen Weiterhin werden mit Wechselspannungen auch Gleich- und Stoszligspannungenerzeugt die auszliger fuumlr die elektrische Energieversorgung in vielen anderen Bereichen vonPhysik und Technik Einsatz finden

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Abb 22 Beispiele fuumlr Kurzzeitwechselstreuroome a) unsymmetrischer Kurzzeitwechselstrom 1 mittransientem Gleichanteil 2 b) symmetrischer Kurzzeitwechselstrom

12 2 Hohe Wechselspannungen und -streuroome

231 Bauarten von Preurouftransformatoren

Pruumlftransformatoren zur Erzeugung hoher Wechselspannungen existieren in vielfaumlltigerAusfuumlhrung [11ndash15] Abb 23 zeigt zwei konventionelle Bauarten von einstufigenPruumlftransformatoren in euroolisolierter Ausfuumlhrung Bei der Kesselbauweise ist der Eisenkern2 mit der Nieder- und Hochspannungswicklung 3 bzw 4 in einem euroolgefuumlllten MetallkesselK untergebracht (Abb 23a) Die Hochspannungswicklung ist mit Steuerelektroden 5 zurFeldstaumlrkereduzierung versehen Die Kesselbauweise erfordert eine recht aufwendigemeist feldgesteuerte Durchfuumlhrung D zur Ausleitung der hohen Wechselspannung uumlberdas Metallrohr 6 an die Hochspannungselektrode 7 Bei groszligen Pruumlftransformatoren dieserBauart ist die Durchfuumlhrung zur Verringerung der Bauheuroohe haumlufig schraumlg angebracht

Der Transformator in Isoliermantelbauweise hat ein isolierendes Tragrohr M undkommt daher ohne Durchfuumlhrung aus (Abb 23b) Transformatoren dieser Bauart habenim Vergleich zur Kesselbauweise den Nachteil dass die erzeugte Verlustwaumlrme wegen desIsoliermantels schlechter an die Umgebung abgefuumlhrt werden kann sie sind daher in ihrerLeistung begrenzt Wegen der meurooglichen Berst- oder Leckgefahr und der betraumlchtlichenIsoliereuroolfuumlllung muss der Transformator mit einer entsprechend groszligen Oumllauffangwanneversehen sein

Kleinere Pruumlftransformatoren fuumlr Wechselspannungen von bis zu 100 kV werden auchmit Gieszligharzisolierung gefertigt Da diese Transformatoren nach der Herstellung nichtmehr reparabel sind darf die Isolierung keine Fehlstellen aufweisen in denen Teil-entladungen mit nennenswerter Staumlrke auftreten und die Lebensdauer beeintraumlchtigenkeuroonnen Um die Beanspruchung der Gieszligharzisolierung zu reduzieren keuroonnen die Wick-lungen auf beide Schenkel des Eisenkerns verteilt und mit zwei Durchfuumlhrungen heraus-gefuumlhrt werden Diese Schaltung findet man z B bei Oumllpruumlfgeraumlten bei denen eine Erdungder Hochspannungswicklung nicht erforderlich ist Bei einseitiger Erdung einer Hoch-spannungswicklung liegen der Eisenkern und das Gehaumluse auf Mittenpotenzial und derTransformator muss dann isoliert aufgestellt werden

Pruumlftransformatoren im Druckkessel mit SF6-Isolierung haben relativ kleine Abmes-sungen beneurootigen aber wiederum eine groszlige Durchfuumlhrung wenn sie an luftisolierteAnlagen angeschlossen werden Abb 24 zeigt eine kleine metallgekapselte Ausfuumlhrungdie direkt an die zu pruumlfende gasisolierte Schaltanlage (GIS) angeflanscht wird Der Kernund der Fuszligpunkt der Hochspannungswicklung sind mit dem Kessel auf Erdpotenzialverbunden Diese Ausfuumlhrung eignet sich besonders gut fuumlr Vor-Ort-Pruumlfungen von GIS-und GIL-Anlagen [13 15]

232 Kaskadenschaltung von Transformatoren

Pruumlfwechselspannungen von mehr als 600 kV erzielt man in der Regel mit Transfor-matoren in Kaskadenschaltung Das Prinzip einer dreistufigen Kaskadenschaltung mitTransformatoren in Kesselbauweise ist in Abb 25 wiedergegeben Die drei Hoch-

23 Erzeugung hoher Wechselspannungen 13