Frequenzübertragungsverhalten von Messwandlern
Bild 2: Frequenzen (Quelle: IT)
Bild 3: Frequenzen (Quelle: IT)
Bild 4: Frequenzübertragungsverhalten (Quelle: IT)
In Abhängigkeit von der gewählten Isolation (Öl-Papier, Gas oder Gießharz) ergeben sich unterschiedliche geometrische Aufbauten der Primär- und der Sekundärwicklung, die bedingt durch konzentrierte Parameter von Kapazität, Induktivität und Widerstand zu unterschiedlichem Übertragungsverhalten führen.
Demgegenüber bilden kapazitive Spannungswandler die Sekundärspannung als Übersetzungsverhältnis von Primär- zu Sekundärkapazität ab. Sie bestehen aus einer Reihe in Serie geschalteter Kondensatoren sowie einer für die Leistungsbereitstellung erforderlichen induktiven Einheit auf der Niederspannungsseite. Kapazitive Spannungswandler sind im Kondensatorenstapel (C1/C2) vorrangig mit einem Misch-Dielektrikum ausgeführt, um die Klassengenauigkeit auch bei unterschiedlichsten Temperaturbereichen zu erzielen.
Die Übertragung erfolgt bei induktiven Stromwandlern, wie bei den Spannungswandlern, nach dem transformatorischem Prinzip. Allerdings werden die Wicklungen nahezu kurzgeschlossen.
Das Übertragungsverhalten der induktiven und der kapazitiven Spannungswandler wird vom geometrischen Aufbau jedes einzelnen Produkts bestimmt. Darum kann es zwischen öl-, gas- und gießharzisolierten Spannungswandlern Unterschiede in den Eigenfrequenzen geben. Die Einflussfaktoren sind hierbei:
• Wicklungswiderstand der Hochspannungswicklung,
• Streuinduktivität der Hochspannungswicklung,
• Streuinduktivität zwischen Hoch- und Niederspannungswicklung,
• Lagenkapazität,
• Kapazität zwischen Hochspannungsspule und erdseitigem Ende der Isolation,
• Induktivität des Eisenkerns sowie
• resistive Verluste des Eisenkerns.
Bei induktiven Stromwandlern ist die Übertragungseigenschaft weniger stark durch kapazitive Lageneinflüsse bestimmt, sodass ein höheres linear übertragendes Frequenzspektrum erwartet werden kann. Unterstützt wird dieses Verhalten durch die geringe Bebürdung. Wie groß die Übertragungsfehler der verschiedenen Wandlertypen im Frequenzband bis 50 kHz sein können zeigt Bild 1. Beispielhaft stellt Bild 2 den Fehler eines Öl-Papier-isolierten, induktiven 420-kV-Spannungswandlers für den Frequenzbereich bis 2,5 kHz nach Betrag und Phase dar.
Für gleichartige Konstruktions- und Isolationsprinzipien kann festgestellt werden, dass das Auftreten der ersten Resonanzstelle in Abhängigkeit der Spannungsebene sinkt. Das zeigt Bild 3 anhand verschieden isolierter Spannungswandler.
Kapazitive Spannungswandler sind auf die Nennfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz abgestimmt. Die Genauigkeit ist nur für ein schmales Band gegeben (Bild 4). Die kleinste Resonanzfrequenz liegt bei einigen 100 Hz. Für welchen Frequenzbereich sich die verschiedenen Technologien eignen, ist in Bild 5 übersichtlich dargestellt. Der Klassenfehler ist dabei berücksichtigt.
Induktive Stromwandler übertragen die Signale über mehrere kHz ohne größere Fehler. Bild 6 zeigt die Messungen an verschiedenen Kernen. Der Fehler ist bis 5 kHz vernachlässigbar. Allerdings bietet das vorhandene Messequipment nicht die Möglichkeit, in Amplituden- und Phasenfehler zu unterscheiden.
Ebenso wurden Untersuchungen durchgeführt, die den Unterschied zwischen Primär- und Sekundärsignal bei unterschiedlich überlagerten Frequenzen aufzeigen. Auf eine Amplituden- bzw. Phasenmessung wurde bei diesem Versuch verzichtet. Das Ergebnis dieser Analyse bestätigt ebenfalls die Eignung von induktiven Stromwandlern für die Messung höherfrequenter Harmonischer.