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Über dieses Buch

Zur Übertragung und Verteilung elektrischer Energie werden Betriebsmittel eingesetzt, die sehr hohen Spannungen und Strömen ausgesetzt sind. Sie werden daher vor Inbetriebnahme mit genormten und auch zukünftigen Prüf- und Messverfahren auf ihre Zuverlässigkeit geprüft. Das Buch vermittelt die theoretischen und experimentellen Grundlagen einer fundierten Messtechnik in den Bereichen hoher Gleich-, Wechsel- und Stoßspannungen sowie der entsprechenden hohen Ströme. Der aktuelle Stand der Messtechnik mit elektro- und magnetooptischen Sensoren wird an Hand mehrerer Beispiele dargestellt. Weitere Kapitel beinhalten konventionelle und unkonventionelle Messverfahren zur Erfassung von Teilentladungen und von dielektrischen Messgrößen. Ebenfalls behandelt werden Verfahren zur Kalibrierung der Messsysteme und die Bestimmung von Messunsicherheiten.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Zusammenfassung
Hohe Gleich-, Wechsel- und Impulsspannungen sowie die entsprechenden Ströme spielen eine besondere Rolle in der elektrischen Energieversorgung, aber auch in vielen anderen Bereichen von Physik und Technik. Die eingesetzten Betriebsmittel und andere Hochspannungsgeräte werden vor Inbetriebnahme einer Reihe von Prüfungen unterzogen mit dem Ziel, verlässliche Aussagen zur Zuverlässigkeit und voraussichtlichen Lebensdauer der Geräte zu erhalten. Maßgebend hierfür ist die einwandfreie Ausführung der Hochspannungsisolierung, die u. a. auf der genauen Kenntnis der eingesetzten festen, flüssigen und gasförmigen Isolierstoffe beruht. Bei allen Prüfungen sind eine fundierte Messtechnik und der Einsatz kalibrierter Messsysteme erforderlich. In diesem Zusammenhang stehen Begriffe und Inhalte wie Qualitätssicherung, Kalibrierung, Rückführung der Messungen auf die SI-Einheiten, Messunsicherheit, international anerkannte Prüfvorschriften, akkreditierte Prüf- und Kalibrierlaboratorien.
Klaus Schon

Kapitel 2. Hohe Wechselspannungen und -ströme

Zusammenfassung
Die Übertragung elektrischer Energie vom Erzeuger zum Verbraucher erfolgt überwiegend mit hohen Wechselspannungen, sodass dieser Spannungsart – und damit auch den Wechselströmen – besondere Bedeutung zukommt. Jedes Betriebsmittel für die elektrische Energieversorgung wird daher vor Inbetriebnahme auf seine Zuverlässigkeit geprüft, wobei die Prüf- und Messverfahren sowie Anforderungen an die Prüfspannungen und Prüfströme in nationalen und internationalen Prüfvorschriften festgelegt sind. Hohe Wechselspannungen sind auch deshalb wichtig, weil sie zur Erzeugung von Gleich- und Stoßspannungen sowie für zahlreiche Anwendungen in Physik und Technik benötigt werden. Das Kapitel stellt die genormten Messgrößen und Messverfahren vor, geht kurz auf die hauptsächlich verwendeten Spannungs- und Stromerzeuger ein und befasst sich ausführlich mit den Messsystemen und Messgeräten, die inzwischen weitgehend in digitaler Ausführung mit rechnergestützter Datenverarbeitung eingesetzt werden.
Klaus Schon

Kapitel 3. Hohe Gleichspannungen und –ströme

Zusammenfassung
Hohe Gleichspannungen und -ströme haben wegen der national und weltweit steigenden Anzahl von Anlagen zur elektrischen Energieübertragung mit hohen Gleichspannungen (HGÜ) immer größere Bedeutung erlangt. Zahlreiche weitere Einsatzgebiete findet man in Physik und Technik, auch zur Erzeugung von Stoßspannungen sind Gleichspannungen erforderlich. Die grundlegenden Anforderungen an Prüf- und Messverfahren für Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung sind in nationalen und internationalen Prüfvorschriften festgelegt. Die Einführung der digitalen Messtechnik mit rechnergestützter Datenauswertung hat den Umfang, die Qualität und Genauigkeit der Messungen weitgehend verbessert. Dies bedeutet das Ende der meisten bisher genutzten analogen Messschaltungen und Messgeräte. In dem Kapitel werden die genormten Messgrößen von Gleichspannungen und -strömen vorgestellt, einige ausgewählte Erzeugeranlagen kurz beschrieben und die vorwiegend eingesetzten Messverfahren und Messschaltungen behandelt.
Klaus Schon

Kapitel 4. Stoßspannungen

Zusammenfassung
Bei der Übertragung und Verteilung elektrischer Energie werden die eingesetzten Betriebsmittel hohen transienten Spannungen infolge von Blitzeinschlägen oder Schaltvorgängen ausgesetzt. Sie werden daher vor ihrem Einsatz auf ihre Zuverlässigkeit mit genormten Stoßspannungen geprüft. Die dabei verwendeten Generatorschaltungen werden prinzipiell beschrieben. Zur Aufzeichnung der Prüfspannungen sind verschiedene Messsysteme mit Digitalrecordern im Einsatz, die eine rechnergestützte Auswertung der aufgezeichneten Zeitverläufe innerhalb der zulässigen Messunsicherheiten ermöglichen. Blitzstoßspannungen mit überlagerter Scheitelschwingung werden durch ein genormtes Filterungsverfahren zur Bestimmung des Prüfspannungswertes und der Zeitparameter ausgewertet. Auch in anderen Bereichen von Physik und Technik treten hohe impulsförmige Spannungen mit Zeitverläufen im Nano- bis Millisekundenbereich auf, die für eine Reihe von Anwendungen, z. B. Plasmaphysik, Medizin- und Schweißtechnik, Elektroimpulswaffen und elektronische Zündsysteme, genutzt werden.
Klaus Schon

Kapitel 5. Stoßströme

Zusammenfassung
Infolge von transienten Spannungen im Hochspannungsnetz entstehen transiente Ausgleichsströme, die neben Schaltvorgängen ebenfalls eine starke Beanspruchung bestimmter Betriebsmittel darstellen. Sie werden daher ebenfalls vor Inbetriebnahme mit genormten Stoßströmen geprüft. Die dabei eingesetzten Stromgeneratoren und die verschiedenen Messsysteme werden in diesem Kapitel behandelt. Die Bestimmung der Impulsparameter erfolgt überwiegend durch rechnergestützte Auswertung der digital aufgezeichneten Messdaten. Zu den wichtigen Eigenschaften eines Stromsensors zählt die Sprungantwort, die das Übertragungsverhalten charakterisiert. Die Sprungantwort ermöglicht die Anwendung der numerischen Faltungsrechnung zur Unterstützung und Ergänzung der Kalibrierung eines Stromsensors. Die Strommesssysteme sind je nach Konstruktion einer starken Störbeeinflussung durch magnetische Felder ausgesetzt, die sich durch besondere Maßnahmen weitgehend beseitigen lässt.
Klaus Schon

Kapitel 6. Elektro- und magnetooptische Sensoren

Zusammenfassung
Die Grundlagen der elektro- und magnetooptischen Effekte, auch benannt nach ihren Entdeckern, sind bereits seit mehr als einem Jahrhundert bekannt. Der Pockels- und der Kerr-Effekt kennzeichnen die optischen Eigenschaften bestimmter Kristalle, Flüssigkeiten und Gase im elektrischen Feld, wodurch der Polarisationszustand einer längs der optischen Achse laufenden Lichtwelle beeinflusst wird. Beim Faraday-Effekt verändert ein Magnetfeld ebenfalls die Polarisation einer durchlaufenden Lichtwelle. Die im Medium hervorgerufene Drehung der Polarisationsebene der Lichtwelle wird mit einem nachgeschalteten Analysator und Fotodetektor als entsprechende elektrische oder magnetische Feldstärke angezeigt. In Verbindung mit Lichtwellenleitern bieten die im Nanosekundenbereich ablaufenden optischen Vorgänge gute Voraussetzungen für den Einsatz dieser Sensoren auf Hochspannungspotential. Die technische Realisierung der Pockels- und Faraday-Effekte ist in den letzten beiden Jahrzehnten dank der Lösung einer Reihe von Einzelproblemen vorangekommen.
Klaus Schon

Kapitel 7. Digitalrecorder, Software und Kalibratoren

Zusammenfassung
Die Messung hoher Gleich-, Wechsel- und Stoßspannungen und der entsprechenden Ströme erfolgt überwiegend mit Messsystemen, in denen Digitalrecorder oder andere digitale Messgeräte eingesetzt sind. Wichtiges Bauteil digitaler Messgeräte ist der A/D-Wandler, der die analoge Messspannung digitalisiert und als digitalen Datensatz für die weitere Auswertung mit dem PC zur Verfügung stellt. Die Anforderungen an A/D-Wandler sind je nach Spannungsart verschieden. So erfordert die Aufzeichnung von Stoßspannungen und Stoßströmen sehr hohe Abtastraten, die nur mit begrenzter Amplitudenauflösung realisierbar sind. Dieses Kapitel befasst sich ausführlich mit den Eigenschaften schneller A/D-Wandler, den sogenannten „Flash-Konvertern“. Die normgerechte Auswertung der aufgezeichneten Daten erfolgt im PC mit Software, die einer umfassenden Überprüfung mit dem „Test Data Generator“ unterzogen wird. Zur genauen Kalibrierung und Überprüfung der Messgeräte werden Kalibratoren eingesetzt, die Wechsel-, Gleich- und Impulsspannungen von mehreren 100 V bis maximal 2000 V erzeugen.
Klaus Schon

Kapitel 8. Darstellung von Impulsen im Zeit- und Frequenzbereich

Zusammenfassung
Ein beliebiges Signal lässt sich durch seine Kurvenform im Zeitbereich oder durch sein Spektrum im Frequenzbereich darstellen. Welche der beiden äquivalenten Darstellungsformen im Einzelfall bevorzugt wird, hängt von der Messaufgabe und dem vorgegebenen Ziel ab. Sowohl aus dem Zeitverlauf als auch aus dem Spektrum lassen sich Anforderungen zur korrekten Messung von Stoßspannungen und Stoßströmen ableiten. Für verschiedene Generatorschaltungen werden mithilfe der Laplace-Transformation die Gleichungen für die Zeitverläufe der erzeugten Stoßspannungen, Stoßströme und Kurzzeitströme aufgestellt. Hiermit lassen sich ebenfalls mit der Laplace-Transformation die zugehörigen Spektren berechnen. Die normierten Amplitudendichten verschiedener Zeitverläufe von Stoßspannungen und Stoßströmen, die Auskunft über die erforderliche Bandbreite der Messgeräte geben, werden grafisch dargestellt.
Klaus Schon

Kapitel 9. Übertragungsverhalten linearer Systeme, Faltung und Entfaltung

Zusammenfassung
Das Übertragungsverhalten eines linearen Systems lässt sich im Zeitbereich durch die Sprungantwort oder im Frequenzbereich durch die komplexe Übertragungsfunktion ausdrücken. Die mathematischen Grundlagen hierfür und Analogien werden mithilfe der Fourier- und Laplace-Transformation abgeleitet. Die für lineare Systeme abgeleiteten Zusammenhänge lassen sich auf die in der Prüfpraxis eingesetzten Hochspannungsmesssysteme, insbesondere für Stoßspannungen und Stoßströme, näherungsweise übertragen. Die Bedeutung der Faltung zur analytischen oder numerischen Berechnung der Ausgangsspannung eines Messsystems für beliebige Eingangssignale wird herausgestellt und durch mehrere Beispiele veranschaulicht. Die berechneten oder gemessenen Antwortfehler eines Messsystems, also die Abweichungen zwischen der Aus- und Eingangsspannung hinsichtlich der Scheitelwerte und Stirnzeiten, lassen sich anschaulich in Fehlerdiagrammen darstellen. Die grundsätzlichen Schaltungen zAur Erzeugung und Messung von Sprungspannungen werden behandelt.
Klaus Schon

Kapitel 10. Kalibrierung der Messsysteme

Zusammenfassung
Nach einem kurzen Überblick über die Grundlagen des internationalen Messwesens einschließlich Normung, Hierarchie der Messmittel, Kalibrierung und Rückführung wird auf die verschiedenen Kalibrierverfahren für Messsysteme näher eingegangen. Das bevorzugte Kalibrierverfahren zur normgerechten Anerkennung eines Messsystems und dessen Komponenten ist die Vergleichsmessung mit einem genauen Referenzsystem bis zur maximal vorgesehenen Einsatzspannung. Damit werden der Maßstabsfaktor des Messsystems und die Abweichung des Übertragungsverhaltens in Abhängigkeit verschiedener Einflussparameter bestimmt. Alternative Kalibrierverfahren sind ebenfalls zulässig, z. B. bei Niederspannung in Verbindung mit einem Linearitätsnachweis. Zu den Alternativverfahren für das dynamische Verhalten gehören die Auswertung der experimentellen Sprungantwort des Messsystems und Rechenverfahren auf der Grundlage der Faltung. Auf die Kalibrierung von Digitalrecordern mit Stoß-, Rechteck- und Sinusspannungen wird kurz eingegangen.
Klaus Schon

Kapitel 11. Kapazität und Verlustfaktor

Zusammenfassung
Das optimale Betriebsverhalten von Hochspannungsgeräten und Betriebsmitteln der elektrischen Energieübertragung hängt maßgeblich von der Konstruktion, den eingesetzten Isolierstoffen und der fehlerfreien Ausführung der Isolierung ab. Als Isolierstoffe kommen feste, flüssige oder gasförmige Dielektrika, teilweise auch in Kombination, zum Einsatz. Wichtige Kenngrößen der Dielektrika bei Wechsel- oder Stoßspannungsbeanspruchung sind die relative Dielektrizitätszahl und der Verlustfaktor. Die Grundlagen zu beiden Messgrößen und die verschiedenen analogen und digitalen Messverfahren werden in diesem Kapitel behandelt, ebenso wie die Kalibrierung der C-tanδ-Messeinrichtungen. Ausführlich wird auf die Eigenschaften von Druckgaskondensatoren in der Bauart nach Schering und Vieweg eingegangenen, die als nahezu verlustfreie Referenz für Kapazitäts- und Verlustfaktormessungen zum Einsatz kommen.
Klaus Schon

Kapitel 12. Grundlagen der Teilentladungsmesstechnik

Zusammenfassung
Teilentladungen sind kleine, räumlich begrenzte elektrische Entladungen, die in einer fehlerhaft ausgeführten Hochspannungsisolierung bei Überschreiten einer kritischen elektrischen Feldstärke auftreten können. Sie bleiben häufig zunächst unerkannt, können aber bei längerer Einwirkung zu einer Schädigung bis hin zur Zerstörung der Isolierung eines Betriebsmittels infolge eines vollständigen Durchschlags führen. Innere Teilentladungen und deren Messung haben seit 1950, als Kunststoffe mehr und mehr in Hochspannungsisolierungen eingesetzt wurden, verstärkt Bedeutung erlangt. Die Prüfung von Hochspannungsgeräten und Betriebsmitteln der elektrischen Energieversorgung auf Teilentladungen ist eine der wichtigsten und schwierigsten Prüfungen. Dieses Kapitel befasst sich mit den Grundlagen der Messgeräte und Messverfahren für Teilentladungen bei Wechselspannung; auf die Messverfahren bei Gleich- und Stoßspannungen wird kurz eingegangen. Die Einführung digitaler Messtechniken hat zu stetig verbesserten elektromagnetischen, akustischen und optischen Diagnoseverfahren geführt, die vor allem bei Vor-Ort- und Online-Messungen vorteilhaft anwendbar sind.
Klaus Schon

Kapitel 13. Bestimmung von Messunsicherheiten

Zusammenfassung
Jede Messung ist unvollkommen und kann daher nur einen mehr oder weniger genauen Näherungswert der gesuchten Messgröße liefern. Die Unvollkommenheit oder, positiv betrachtet, Qualität einer Messung wird quantitativ durch die Messunsicherheit ausgedrückt. Die Kenntnis der Messunsicherheit und ihre Bestimmung nach einheitlichen Vorgaben hat große wirtschaftliche Bedeutung im internationalen Warenverkehr. Das Ergebnis einer Messung ist umso verlässlicher, je kleiner die Messunsicherheit ist. Das vollständige Ergebnis einer Messung beinhaltet daher nicht nur den Messwert, sondern auch dessen erweiterte Messunsicherheit. Das Grundkonzept zur Bestimmung von Messunsicherheiten nach ISO/IEC Guide 98–3 (GUM) wird in diesem Kapitel behandelt und beinhaltet die Modellfunktion der Messung, das Unsicherheitsbudget mit den Unsicherheitsbeiträgen vom Typ A und Typ B, die beigeordnete und erweiterte Messunsicherheit und Angabe des vollständigen Messergebnisses.
Klaus Schon

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