Stoßspannungs- und Stoßstrommesstechnik (eBook)

Dr.-Ing. Klaus Schon studierte Elektrotechnik an der TU Berlin und ging 1969 nach seinem Abschluss als Dipl.-Ing. zur Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Hier befasste er sich im Hochspannungslabor zunächst mit den Eigenschaften von Isolierstoffen und promovierte 1975 über den Einfluss von Teilentladungen auf Kunststofffolien an der TH Darmstadt. Seine weiteren Aufgaben lagen in der Mess- und Kalibriertechnik im Hochspannungsbereich, insbesondere in den Bereichen Kapazität und Verlustfaktor, Teilentladungen, Stoßspannung und Stoßstrom. 1982 wurde ihm die Leitung des PTB-Hochspannungslaboratoriums und später die Leitung der Arbeitsgruppe „Messwandler und Hochspannung“ übertragen. Dr. Schon war Mitglied in verschiedenen nationalen und internationalen Arbeitsgremien, die sich mit der Hochspannungsprüf- und -messtechnik, Normung und Akkreditierung befassen.

Vorwort 5
Inhaltsverzeichnis 7
Einleitung 10
1 Kennzeichnung und Erzeugung von Stoßspannungen und Stoßströmen 12
1.1 Parameter von Stoßspannungen 12
1.1.1 Blitzstoßspannung 13
1.1.2 Schaltstoßspannung 22
1.1.3 Schwingende Stoßspannungen bei Vor-Ort-Prüfungen 24
1.1.4 Steilstoßspannung 25
1.2 Parameter von Stoßströmen 26
1.2.1 Exponential-Stoßstrom 27
1.2.2 Rechteck-Stoßstrom 28
1.2.3 Kurzschlusswechselstrom 29
1.3 Erzeugung von Stoßspannungen und Stoßströmen 31
1.3.1 Generatoren für Blitzund Schaltstoßspannungen 31
1.3.2 Erzeugung von abgeschnittenen Stoßspannungen 37
1.3.3 Erzeugung von Steilstoßspannungen 38
1.3.4 Generatoren für Exponential-Stoßströme 39
1.3.5 Erzeugung von Rechteck-Stoßströmen 43
1.3.6 Erzeugung von Kurzschlusswechselströmen 44
2 Darstellung von Impulsen im Zeitund Frequenzbereich 48
2.1 Analytische Darstellung von Stoßspannungen 48
2.2 Spektrum von Stoßspannungen 55
2.3 Analytische Darstellung von Stoßströmen 58
2.4 Spektrum von Exponential-Stoßströmen 62
2.5 Analytische Darstellung von Kurzschlusswechselströmen 63
3 Übertragungsverhalten linearer Systeme und Faltung 65
3.1 Sprungantwort eines Systems und Faltungsintegral 66
3.2 Fourier-Transformation und Übertragungsfunktion 69
3.3 Laplace-Transformation 72
3.4 Eigenschaften von RCund RLC-Gliedern 74
3.4.1 Sprungantwort von Tiefpass und Schwingkreis 74
3.4.2 Übertragungsfunktion von Tiefpass und Schwingkreis 77
3.5 Antwortzeit, Anstiegszeit und Bandbreite 79
3.6 Beispiele für die Faltung 81
3.6.1 Keilstoßspannung auf RC-Glied 81
3.6.2 Keilstoßspannung auf RLC-Glied 84
3.6.3 Stoßspannung auf RC-Glied 86
3.6.4 Antwortfehler und Fehlerdiagramm 87
3.7 Experimentelle Sprungantwort 91
3.7.1 Auswertung der experimentellen Sprungantwort 91
3.7.2 Antwortparameter der Sprungantwort 93
3.7.3 Messschaltungen für die Sprungantwort 95
3.7.4 Erzeugung von Sprungspannungen 97
3.8 Ergänzende Betrachtungen zum Übertragungsverhalten 100
4 Digitalrecorder, Stoßvoltmeter und Impulskalibrator 106
4.1 Aufbau und Eigenschaften von Digitalrecordern 107
4.2 Fehlerquellen bei der Signalaufzeichnung 113
4.2.1 Ideale Digitalisierung 114
4.2.2 Digitalrecorder mit realem AD-Wandler 116
4.2.3 Weitere Fehlerquellen 122
4.3 Software zur Datenauswertung 124
4.4 Stoßvoltmeter 125
4.5 Impulskalibrator 126
5 Messung von Stoßspannungen 131
5.1 Messsystem mit Stoßspannungsteiler 131
5.1.1 Übertragungsverhalten von Stoßspannungsteilern 138
5.1.2 Ohmscher Stoßspannungsteiler 144
5.1.3 Kapazitiver Stoßspannungsteiler 153
5.1.4 Gedämpft kapazitiver Stoßspannungsteiler 157
5.1.5 Ohmsch-kapazitiv gemischter Spannungsteiler 167
5.2 Kugelfunkenstrecke 169
5.3 Kapazitiver Feldsensor 171
5.3.1 Prinzip des kapazitiven Feldsensors 172
5.3.2 Feldsensor für Linearitätsnachweis von Spannungsteilern 174
5.3.3 Dreidimensionaler Feldsensor 175
5.4 Elektrooptischer Sensor 176
5.4.1 Pockels-Effekt 176
5.4.2 Kerr-Effekt 180
6 Messung von Stoßströmen 185
6.1 Messsystem mit niederohmigem Messwiderstand 185
6.1.1 Induktivitäten eines niederohmigen Widerstandes 189
1 191
2, 191
1-2 191
6.1.2 Aufbau koaxialer Messwiderstände 192
6.1.3 Stromverdrängung (Skineffekt) 194
6.1.4 Kettenleiterersatzschaltbild 198
6.1.5 Experimentelle Sprungantwort von Messwiderständen 199
6.1.6 Besondere Bauformen 200
6.1.7 Grenzlastintegral 202
6.2 Strommessspulen nach dem Induktionsprinzip 204
6.2.1 Rogowski-Spule 210
6.2.2 Strommessspule mit Magnetkern 215
6.2.3 Gleichstromwandler 217
6.2.4 Magnetfeldsensor 218
6.3 Stromsensor mit Hall-Sonde 219
6.4 Magnetooptischer Sensor 223
7 Kalibrierung der Messsysteme 228
7.1 Allgemeines zur Kalibrierung und Rückführung 229
7.2 Vergleich mit einem Referenzsystem bei Stoßspannung 231
7.2.1 Prinzip der Vergleichsmessung 232
7.2.2 Festgesetzter Maßstabsfaktor 235
7.2.3 Alternativen für den Linearitätsnachweis 237
7.2.4 Messung der Zeitparameter 238
7.2.5 Dynamisches Verhalten 239
7.3 Alternative Kalibrierung von Stoßspannungsmesssystemen 241
7.3.1 Kalibrierung bei Niederspannung 242
7.3.2 Auswertung der Sprungantwort 243
7.3.3 Einfluss benachbarter Objekte (Näheeffekt) 244
7.3.4 Kurzund Langzeitverhalten 245
7.4 Kalibrierung von Digitalrecordern 247
7.5 Kalibrierung von Stoßstrommesssystemen 249
Anhang 1 Fourierund Laplace-Transformation 254
A1.1 Fourier-Transformation 254
A1.2 Laplace-Transformation 256
Anhang 2 Bestimmung von Messunsicherheiten 259
A2.1 Der GUM 259
A2.1.1 Grundkonzept des GUM 260
A2.1.2 Modellfunktion einer Messung 261
A2.1.3 Ermittlungsmethode vom Typ A 262
A2.1.4 Ermittlungsmethode vom Typ B 264
A2.1.5 Beigeordnete Standardmessunsicherheit 267
A2.1.6 Erweiterte Messunsicherheit 268
A2.1.7 Effektiver Freiheitsgrad 269
A2.1.8 Messunsicherheitsbudget 270
A2.1.9 Angabe des vollständigen Messergebnisses 271
A2.1.10 Abschließende Bemerkungen 271
A2.2 Beispiele für die Unsicherheitsberechnung 272
A2.2.1 Maßstabsfaktor eines Stoßspannungsmesssystems 272
A2.2.2 Unsicherheit der Spannungsmessung bei einer Prüfung 277
Abkürzungen 281
Sachverzeichnis 283