Diplomarbeit - Prof. Dr.-Ing. Kay Rethmeier
Diplomarbeit - Prof. Dr.-Ing. Kay Rethmeier
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<strong>Diplomarbeit</strong><br />
<strong>Kay</strong> <strong>Rethmeier</strong><br />
Mat. Nr.: 15 30 66<br />
FACHBEREICH 12<br />
ELEKTROTECHNIK<br />
Institut für Elektrische<br />
Energietechnik<br />
Fachgebiet<br />
Hochspannungstechnik<br />
Simulation und messtechnische Überprüfung von<br />
Feldsensoren zur ortsselektiven TE-Messung an<br />
Hochspannungskabelgarnituren<br />
Betreuer: Dipl.-<strong>Ing</strong>. R. Heinrich<br />
Betreuender Hochschullehrer: <strong>Prof</strong>. <strong>Dr</strong>.-<strong>Ing</strong>. W. Kalkner<br />
Thema ausgegeben: 19.08.99<br />
Letzte Abgabe: 21.12.99
„Simulation und messtechnische Überprüfung von Feldsensoren zur ortsselektiven TE-Messung<br />
an Hochspannungskabelgarnituren“ – <strong>Diplomarbeit</strong> an der TU-Berlin / IEE 1999<br />
Die selbständige Anfertigung versichere ich an Eides Statt.<br />
Berlin, den<br />
_______________________<br />
(<strong>Kay</strong> <strong>Rethmeier</strong>)<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 2
„Simulation und messtechnische Überprüfung von Feldsensoren zur ortsselektiven TE-Messung<br />
an Hochspannungskabelgarnituren“ – <strong>Diplomarbeit</strong> an der TU-Berlin / IEE 1999<br />
Inhalt<br />
1 Einführung................................................................................................... 5<br />
1.1 Aufgabenstellung..................................................................................... 5<br />
1.2 Einschränkungen..................................................................................... 5<br />
2 Richtkoppler ................................................................................................ 6<br />
2.1 Richtkoppler zur TE-Messung an Hochspannungskabelgarnituren......... 7<br />
3 Teilentladungen (TE) .................................................................................. 9<br />
3.1 TE-Messtechnik..................................................................................... 11<br />
3.1.1 Konventionelle Messtechnik........................................................... 11<br />
3.1.2 Ortsselektive Messtechnik mit Richtkopplern ................................. 13<br />
4 Einschränkung der Richtschärfe durch Reflexionen ................................. 14<br />
4.1 Reflexionen auf dem Richtkoppler......................................................... 14<br />
4.1.1 Impedanztransformation................................................................. 18<br />
4.1.2 Anpassung ..................................................................................... 18<br />
4.1.2.1 Versuchsaufbau...................................................................... 21<br />
4.1.2.2 Gegenüberstellung der Oszillogramme................................... 25<br />
4.1.2.3 Gegenüberstellung der Messergebnisse ................................ 28<br />
4.2 Reflexionen an Muffen........................................................................... 36<br />
5 Verwendung von realen TE-Kalibratoren in der Simulation....................... 36<br />
6 Simulation des Richtkopplers.................................................................... 43<br />
6.1 Kabel als π-Glied ................................................................................... 43<br />
6.2 Koppler als π-Glied................................................................................ 45<br />
6.2.1 Fehlanpassung............................................................................... 46<br />
6.3 Berücksichtigung von Laufzeiten........................................................... 48<br />
6.3.1 Fehlanpassung............................................................................... 50<br />
6.4 Richtkoppler mit realem Wellenwiderstand............................................ 51<br />
6.4.1 Einfluss des Abschlusswiderstandes.............................................. 52<br />
6.5 Zusammenfassung................................................................................ 53<br />
7 TE-Kalibratoren......................................................................................... 54<br />
7.1 LDJ5...................................................................................................... 55<br />
7.2 PD CAL2A ............................................................................................. 57<br />
7.3 RH-3/6................................................................................................... 59<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 3
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7.4 RH-LCD 2.............................................................................................. 61<br />
7.5 Gegenüberstellung der Kalibratoren...................................................... 62<br />
8 Richtkoppler im Prüfeinsatz ...................................................................... 63<br />
8.1 Kabelprüfung am IPH ............................................................................ 63<br />
8.2 Steckerversuch am IPH......................................................................... 66<br />
8.2.1 Versuchsaufbau ............................................................................. 66<br />
8.2.2 Simulation ...................................................................................... 70<br />
8.2.2.1 Vorüberlegungen .................................................................... 70<br />
8.2.2.2 Schaltung des Versuchsaufbaus ............................................ 76<br />
9 Schlussbetrachtung .................................................................................. 79<br />
9.1 Ausblick ................................................................................................. 79<br />
10 Anhang...................................................................................................... 80<br />
10.1 Quellcode TEK2TXT.EXE.................................................................. 80<br />
10.2 Literatur.............................................................................................. 84<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 4
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1 Einführung<br />
1.1 Aufgabenstellung<br />
In dieser Arbeit werden Vorgänge und Probleme bei der TE-Messung an<br />
Hochspannungskabelgarnituren unter Verwendung von Richtkopplersensoren<br />
zur ortsselektiven Auskopplung von TE-Impulsen untersucht.<br />
Besondere Aufmerksamkeit gilt hierbei der Modellbildung von<br />
Problemstellungen, so dass diese einer Rechnersimulation zugänglich werden.<br />
In Versuch und Simulation wird dann versucht, eine Verbesserung der<br />
Richtschärfe eines Kopplers durch impedanzrichtige Anpassung an den<br />
Kopplerausgängen nachzuweisen.<br />
1.2 Einschränkungen<br />
Um den Aufwand der Untersuchungen in Grenzen zu halten, wurden diverse<br />
Vereinfachungen vorgenommen, die sich jedoch auf eine grundsätzliche<br />
Betrachtung der Problemstellungen nicht negativ auswirken.<br />
Der mehrschichtige Aufbau eines Hochspannungskabels mit Leiter, innerer<br />
Leitschicht, Isolierung, äußerer Leitschicht und Schirm wurde auf das Modell<br />
„Leiter-Isolierung-Schirm“ reduziert.<br />
Alle Bauteile wurden als verlustlos angenommen.<br />
Reale geometrische Abmessungen und damit verbundene Bauteilgrößen<br />
wurden in den seltensten Fällen beachtet, der grundlegende Einfluss von<br />
verschiedenen Effekten stand hier im Vordergrund.<br />
Als Summe dieser Einschränkungen konnte dementsprechend kein exakter<br />
Vergleich von Simulation und Messung vorgenommen werden, die<br />
beabsichtigten Effekte sind aber in beiden Fällen voneinander getrennt zu<br />
erkennen.<br />
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2 Richtkoppler<br />
Richtkoppler sind passive reziproke Bauelemente, die es ermöglichen, Signale<br />
in ihre Richtungsanteile aufzuspalten. In der einfachsten Form kann ein<br />
Richtkoppler als Viertor dargestellt werden, in dem ein Tor isoliert ist. Alle in<br />
dieser Arbeit beschriebenen Richtkoppler gehören zu der Familie der<br />
Rückwärtskoppler, bei denen das Signal in Gegenrichtung ausgekoppelt wird.<br />
Das Prinzip lässt sich durch die vereinfachte Darstellung in Abbildung 2-1 mit<br />
diskreten Bauelementen erläutern.<br />
Abb. 2-1: Funktionsprinzip Rückwärtskoppler<br />
Ein Signal auf Leitung 1, hier in Form des Stromes I dargestellt, bewirkt durch<br />
eine kapazitive Verkopplung die Ströme Ic, sowie durch eine induktive<br />
Verkopplung den Strom Im auf Leitung 2. Auf der signalzugewandten Seite<br />
addieren sich die überkoppelten Ströme konstruktiv, auf der signalabgewandten<br />
Seite überlagern sich diese destruktiv, idealerweise löschen sie sich sogar<br />
vollständig aus. Anhand der Spannungen an den Abschlusswiderständen von<br />
Leitung 2 kann nun die Richtung des Signals auf Leitung 1 bestimmt werden.<br />
Das Verhältnis der beiden Ausgangsspannungen auf Leitung 2 wird als<br />
Richtverhältnis bezeichnet und ist ein Maß für die Güte des Richtkopplers. Ein<br />
sehr hohes Richtverhältnis wird erzielt, wenn beide Leitungen den gleichen<br />
Wellenwiderstand besitzen und mit diesem an ihren Enden abgeschlossen sind.<br />
Prinzipiell müssen die durch die Verkopplung entstehenden Ströme gleich groß<br />
sein, was zu einem idealen Verhältnis zwischen Koppelinduktivität und<br />
Koppelkapazität führt. Diese Idealbedingung gilt aber wiederum nur für eine<br />
bestimmte Frequenz. Bei der Betrachtung von Impulsen auf Leitungen kann es<br />
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somit keine ideale Kopplung geben. Leider ist dieses aber der Normalfall beim<br />
Einsatz der Richtkoppler zur Messung von TE-Impulsen. So gilt es, durch eine<br />
geschickte Auswahl der Kopplergeometrie eine zufriedenstellende Lösung zu<br />
finden.<br />
Eine genaue Beschreibung von Richtkopplern findet sich in [1] [2] [3].<br />
2.1 Richtkoppler zur TE-Messung an<br />
Hochspannungskabelgarnituren<br />
Zur Messung von TE-Impulsen auf Hochspannungskabelgarnituren hat sich ein<br />
spezieller Aufbau als vorteilhaft erwiesen.<br />
Auf die äußere Leitschicht und unter den Schirm des koaxialen<br />
Hochspannungskabels wird über einen kleinen Bereich (meist ein rechteckiges<br />
Mantelsegment) ein leitfähiger Belag isoliert aufgebracht. Dieser bildet dann<br />
zusammen mit dem äußeren Schirm des Hochspannungskabels eine<br />
Streifenleitung, an die wiederum koaxiale Messleitungen angebracht werden<br />
können.<br />
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Abb. 2-2: Schnittansicht Hochspannungskabel mit Richtkoppler<br />
Der Schirm ist aus Gründen der Übersichtlichkeit extrem groß gezeichnet.<br />
Abb. 2-3: Seitenansicht Hochspannungskabel mit Richtkoppler<br />
Im Bereich dieses Eingriffes können nun magnetische Feldlinien durch die<br />
Streifenleitung greifen, was einer induktiven Kopplung entspricht. Analog dazu<br />
treffen elektrische Feldlinien auf die Kopplerfläche, was ebenso zu einer<br />
kapazitiven Kopplung führt. Durch die Variation der Kopplerfläche und durch die<br />
Veränderung des Abstandes zum äußeren Schirm des Hochspannungskabels<br />
kann das Ausmaß der Kopplungen festgelegt werden. Ebenso stellt sich<br />
hierdurch der Wellenwiderstand der Streifenleitung ein.<br />
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3 Teilentladungen (TE)<br />
Teilentladungen sind kurzzeitige, energiearme, lokal eng begrenzte<br />
Zusammenbrüche der Isolierung, die nicht sofort zu einem Durchschlag führen.<br />
Bei Hochspannungskabeln mit Feststoffisolierung sind besonders innere TE<br />
von Bedeutung, da diese das Isolationsmedium irreversibel schädigen. Hier<br />
sind meist Hohlräume oder Fremdeinschlüsse für TE verantwortlich, da diese<br />
zu lokalen Feldstärkeerhöhungen oder zu lokalen Minderungen der elektrischen<br />
Festigkeit führen.<br />
Eine ausführliche Beschreibung der Teilentladungsproblematik ist der Literatur<br />
zu entnehmen [4] [5] [6], im weiteren Verlauf werden nur für VPE-<br />
Kabelgarnituren relevante Aspekte behandelt.<br />
Wiederholte TE führen zwangsläufig zum vollständigen Durchschlag und damit<br />
zu einer drastischen Reduzierung der Lebensdauer von Betriebsmitteln. Sie<br />
sind daher in allen Betriebszuständen auf Dauer zu vermeiden. Wegen der zur<br />
Zeit noch nicht abschließend harmonisierten Prüfvorschriften (DIN VDE 0276,<br />
DIN EN 60811, DIN VDE 0473 Teil 811, ...) gilt jedoch weiterhin die DIN VDE<br />
276-620, welche bei einer anzulegenden Spannung von 2U0 einen TE-Pegel<br />
von
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oder durch eine zerstörende Spannungsbeaufschlagung, die mögliche<br />
Fehlstellen innerhalb der Isolierung zum vollständigen Durchschlag bringt.<br />
Ein weiteres Indiz gegen einen definierten pC-Grenzwert ist der nicht eindeutig<br />
nachvollziehbare Zusammenhang zwischen scheinbarer Ladung qs und dem<br />
eigentlichen Ladungsumsatz q in der Fehlerstelle selbst. Dieser ist einzig vom<br />
Verhältnis der Teilkapazitäten im Bereich der Fehlerstelle abhängig, die<br />
wiederum von den geometrischen Eigenschaften des Kabels und der<br />
Fehlerstelle abhängen (s. Abb. 3-1).<br />
Abb. 3-1: Ersatzschaltbild für Hohlraum mit Teilentladung, mit:<br />
C1 Hohlraumkapazität<br />
C2 Serienkapazitäten<br />
C3 Parallelkapazität<br />
R Lichtbogenwiderstand der Entladung<br />
F Funkenstrecke<br />
Der einleuchtende und rechnerisch richtige Ansatz<br />
C<br />
2<br />
qs = q ⋅<br />
(Gl. 3-1)<br />
C<br />
1<br />
kann also aufgrund des unbekannten Kapazitätsverhältnisses nie zu einer<br />
Ladungsbestimmung am Fehlerort selbst führen, und nur diese Ladung ist<br />
wegen ihres Energieumsatzes ein Maß für die Schädigung des Kabels.<br />
Besonders einleuchtend wird diese Problematik bei einem Vergleich zwischen<br />
einem 20kV-Kabel und einem 100kV-Kabel. Bei einer gleichen scheinbaren<br />
Ladung qs von 2pC ergibt sich für das 100kV-Kabel aufgrund der größeren<br />
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Wanddicke eine erheblich energieintensivere Entladung am Fehlerort als beim<br />
20kV-Kabel.<br />
Trotz alledem kann ein erfahrener Prüfingenieur natürlich den gemessenen pC-<br />
Wert unter Berücksichtigung des Aufbaus und anderer Begleitumstände so<br />
interpretieren, dass eine bewertende Aussage über den Fehler und sein<br />
Zerstörungspotential möglich ist.<br />
3.1 TE-Messtechnik<br />
Das allgemeine Verfahren zur Messung von TE wird in den Vorschriften DIN<br />
VDE 0434 und 0472 beschrieben.<br />
3.1.1 Konventionelle Messtechnik<br />
Bei der klassischen TE-Messung werden ein Koppelkondensator Ck und ein<br />
Auskoppelvierpol ZA in Reihe verschaltet und parallel zum Prüfobjekt<br />
angeschlossen (s. Abb. 3-2, weitere Schaltungen in DIN VDE 0472 Teil 513).<br />
Abb. 3-2: TE-Messkreis<br />
Vorteilhaft ist hier die Verschaltung des Prüflings Cp auf Erdpotential, wie es<br />
z. B. bei verlegten Kabeln gar nicht anders möglich ist.<br />
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Im Falle von TE innerhalb des Prüflings bricht die Hohlraumkapazität C1<br />
zusammen (s. Abb. 3-1). Diese wird dann durch die Koppelkapazität CK<br />
nachgeladen (die Spannungsquelle ist durch Z hochfrequenzmäßig entkoppelt).<br />
Dieser Strom fließt auch durch die Messimpedanz ZA, wo er mittels Filter<br />
ausgekoppelt werden kann. Die aus diesem Strom abgeleitete Ladung qm<br />
erlaubt nun eine Aussage über die Teilentladung:<br />
q<br />
C<br />
K<br />
m = qs<br />
⋅<br />
(Gl. 3-2)<br />
C K + C P<br />
Gleichung 3-2 und Abbildung 3-3 verdeutlichen die Forderung nach einer<br />
großen Koppelkapazität CK, da die Messempfindlichkeit direkt von deren Größe<br />
abhängt.<br />
q M / q S<br />
1,000<br />
0,750<br />
0,500<br />
0,250<br />
0,000<br />
0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000<br />
C K / C P<br />
Abb. 3-3: Verhältnis messbare zu scheinbarer Ladung in Abhängigkeit der Koppelkapazität<br />
TE-freie Koppelkondensatoren in der Größenordnung der Kapazität einer<br />
Kabellänge sind jedoch wirtschaftlich nicht tragbar oder nicht herstellbar (Vgl.<br />
z. B. Kaiser Kabel 64/110kV N2XS(FL)2Y mit C‘ = 150nF/km), was zu einer<br />
erheblichen Verschlechterung der Messgenauigkeit führt.<br />
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3.1.2 Ortsselektive Messtechnik mit Richtkopplern<br />
Beim Einsatz von ortsselektiven Richtkopplersensoren werden die TE-Impulse<br />
direkt gemessen, der Umweg über einen Koppelkondensator entfällt.<br />
Die Sensoren werden auf die freigelegte äußere Leitschicht des Kabels in die<br />
Nähe von potentiellen Fehlerstellen wie z. B. Muffen oder Endverschlüsse<br />
aufgebracht. Der erhöhte Aufwand durch die Benutzung von mehreren<br />
Sensoren bietet hierbei die Möglichkeit, einen Fehler in unmittelbarer Nähe zum<br />
Auskopplungsort untersuchen zu können, eine Signalabschwächung durch<br />
lange Laufwege über das Kabel oder durch Brechungen an Muffen (Änderung<br />
des Wellenwiderstandes) ist somit minimal.<br />
Ein typischer Versuchsaufbau zur TE-Messung an einer Verbindungsmuffe ist<br />
in Abbildung 3-4 gezeigt.<br />
Abb. 3-4: Versuchsaufbau zur ortsselektiven TE-Messung<br />
Hierbei wird jeweils ein Sensor vor und hinter der Muffe auf die äußere<br />
Leitschicht des Kabels aufgebracht. Durch eine Auswertung der vier Kanäle<br />
kann eine Aussage über den Fehler in Bezug auf Richtung, Position und nach<br />
erfolgter Kalibrierung auch über dessen Ladung gemacht werden (s.<br />
8.1 Kabelprüfung am IPH).<br />
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4 Einschränkung der Richtschärfe durch<br />
Reflexionen<br />
4.1 Reflexionen auf dem Richtkoppler<br />
Der Wellenwiderstand der untersuchten Richtkoppler lag je nach geometrischer<br />
Dimensionierung zwischen 4Ω und 20Ω. Der Anschluss an die Messtechnik<br />
erfolgt jedoch mit konventionellen 50Ω-Leitungen, was nach Gl. 4-1 z. B. für<br />
einen 8Ω-Koppler zu einer Reflexion der Spannungswelle mit dem Faktor 0,724<br />
führt.<br />
Z<br />
Z<br />
2<br />
− Z<br />
2 1<br />
ru = (Gl. 4-1)<br />
+ Z<br />
1<br />
Bei einer angenommenen Ausbreitungsgeschwindigkeit von 2/3 c0 legt diese<br />
Reflexion die Strecke auf dem Richtkoppler zum anderen Tor innerhalb einer<br />
Nanosekunde zurück (1,5ns bei 30cm Kopplerlänge). Selbst bei idealen<br />
Richtverhältnissen ist also auch am sperrenden Tor innerhalb des zu<br />
beobachtenden Zeitfensters ein Signal zu messen, die Richtschärfe wird sehr<br />
gering.<br />
Die Reflexionen können mit einem TDR (hier: Tektronix 1502C) im Zeitbereich<br />
gemessen werden. Hierzu wird ein Rechtecksprung über eine 50Ω-<br />
Koaxialleitung auf einen Richtkopplerausgang gegeben, der zweite<br />
Richtkopplerausgang ist mit einem weiteren 50Ω-Koaxkabel belastet. In PSpice<br />
wird der Aufbau wie folgt simuliert:<br />
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Abb. 4-1: Aufbau zur Simulation von Reflexionen auf dem Koppler<br />
Wie beim realen TDR wird der Zeitverlauf an den Klemmen des Gerätes<br />
betrachtet.<br />
Abb. 4-2: Simulationsergebnis<br />
Es ergeben sich scharfkantige Treppenstrukturen durch Mehrfachreflexionen,<br />
die sich aus Signallaufzeit auf der Leitung bzw. dem Koppler und den<br />
Reflexionsfaktoren der jeweiligen Sprungstellen ermitteln lassen.<br />
Zur Verbesserung dieses Reflexionsverhaltens wurde in [9] eine Abschrägung<br />
der Richtkopplerkanten nach Abbildung 4-3 vorgeschlagen.<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 15
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Abb. 4-3: Abschrägung der aktiven Richtkopplerfläche<br />
Für den Wellenwiderstand des Kopplers bedeutet dies eine stetige Erhöhung,<br />
bestenfalls bis auf 50Ω direkt vor dem Anschlusspunkt der zugehörigen<br />
Messleitung, also eine „Anpassung“. Dieser Ansatz darf aber nicht darüber<br />
hinwegtäuschen, dass letztlich der beschriebene Übergang im<br />
Wellenwiderstand, hier von 8Ω auf 50Ω, grundsätzlich vorhanden ist. Die<br />
Sprungstelle wird lediglich durch einen kontinuierlichen Übergang geglättet. Der<br />
reflektierte Anteil bleibt also, wenn auch in anderer Form, erhalten und<br />
verringert weiterhin die Richtschärfe der Anordnung.<br />
Zur Verdeutlichung wurde die Abschrägung der Kopplerfläche durch diskrete<br />
Leitungsstücke mit steigendem Wellenwiderstand nachgebildet.<br />
Abb. 4-4: Aufbau zur Simulation von Reflexionen auf dem angeschrägten Koppler<br />
Abb. 4-4 zeigt die rechte Hälfte des Aufbaus, die linke Hälfte wurde aus<br />
Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt, ist aber zum gezeigten Aufbau bis<br />
auf das TDR identisch. Die Anschrägung des Kopplers wurde hier durch drei<br />
Leitungsstücke mit steigendem Wellenwiderstand nachgebildet, was für eine<br />
grundsätzliche Betrachtung ausreicht.<br />
Im Simulationsergebnis sind nun die scharfkantigen Treppenstrukturen<br />
verschwunden. Der Übergang erfolgt kontinuierlicher.<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 16
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Abb. 4-5: Simulationsergebnis Koppler mit Anschrägung<br />
Eine Erhöhung der Anzahl der verwendeten Leitungsstücke in der Simulation<br />
führt zu einer weiteren Glättung der Kurve.<br />
Der Vergleich der Abbildungen 4-2 und 4-5 bekräftigt die vorangestellten<br />
Ausführungen, grundsätzlich ändert sich nichts am Reflexionsverhalten des<br />
Kopplers. In beiden Fällen sinkt der Spannungswert nach der 50Ω-Leitung auf<br />
ca. 100mV ab, um dann in vergleichbarer Zeit wieder auf den Endwert von<br />
500mV anzusteigen. Die Glättung der Reflexionskurve bringt für die<br />
angestrebte Verbesserung der Richtschärfe keine positive Änderung.<br />
Vergleichende Messungen mit dem TDR führten zu dem Problem, dass eine<br />
klare Treppenstruktur in keinem Fall dargestellt werden konnte. Das Gerät<br />
wurde durch die vielfachen Reflexionen so beeinflusst, dass nach dem ersten<br />
Widerstandsprung von 50Ω auf 8Ω keine scharfen Kanten mehr übertragen<br />
wurden. Da das Prinzip jedoch klar ist, wurde auf eine verbesserte Messung mit<br />
dem TDR verzichtet.<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 17
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4.1.1 Impedanztransformation<br />
Aufbau und Funktion von Positiv-Impedanz-Invertern (PII) sind in [3]<br />
beschrieben.<br />
Durch ein passives Netzwerk kann in einem schmalbandigen Bereich eine<br />
Impedanz beliebig transformiert werden.<br />
Eine Simulation mit einer Sprungfunktion (TDR) ergab jedoch keine<br />
Verbesserung.<br />
4.1.2 Anpassung<br />
Ein Verschwinden aller Reflexionen ergibt sich bei optimaler Anpassung der<br />
Messleitung an den Koppler.<br />
Da jedoch Messleitungen mit einem so geringen Wellenwiderstand nicht<br />
erhältlich oder teuere Sonderanfertigungen sind, bleibt die Reduzierung der<br />
gegebenen 50Ω auf niedrigere Werte durch Parallelschaltung von zusätzlichen<br />
Impedanzen.<br />
Abb. 4-6: Aufbau zur Parallelschaltung zusätzlicher Impedanzen<br />
Der so reduzierte Belastungswiderstand am Richtkopplerausgang führt jedoch<br />
auch zu einer Verringerung der nutzbaren Signalspannung (z. B. 8Ω zu 50Ω =><br />
Faktor 0,86 ; bei Anpassung => Faktor 0,5), was Probleme bei niedrigen TE-<br />
Pegeln verursachen kann.<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 18
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Abb. 4-7: Vergleich der Ausgangsspannungen<br />
Diese Vorüberlegungen zeigen schon, dass es für jede Problemstellung eine<br />
gesonderte Lösung geben kann, ein Optimum zwischen maximaler<br />
Signalspannung und maximaler Richtschärfe ist abhängig von der Gewichtung<br />
der Teilaspekte durch den Prüfingenieur und damit als universelles Ziel nicht<br />
sinnvoll.<br />
Die beiden folgenden Abbildungen geben einen ersten Eindruck über die zu<br />
erzielenden Ergebnisse.<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 19
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Abb. 4-8: Oszillogramm Richtkoppler 30cm Länge, 14cm Breite, 1mm PE<br />
Abb. 4-9: Oszillogramm, Richtkoppler wie oben, 4,6Ω parallelgeschaltet<br />
Im hier dargestellten Fall wurde die Richtschärfe von 1:1,30 auf 1:2,36<br />
verbessert, die Maximalspannung des auskoppelnden Ausganges reduzierte<br />
sich dabei jedoch von 165mV auf 113mV.<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 20
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4.1.2.1 Versuchsaufbau<br />
Zur Untersuchung des Einflusses von ohmschen Anpassungswiderständen zu<br />
Beginn der Messleitungen auf dem Koppler wurde ein Kabel der Firma<br />
SIEMENS verwendet (64/110kV).<br />
Abb. 4-10: Kabelprüfling<br />
Der Schirm wurde auf einer Länge von 35cm entfernt, so dass ein<br />
Richtkopplersensor mit einer Länge von 30cm auf die äußere Leitschicht<br />
gebracht werden konnte. Die Breite des Sensors wurde in kleinen Schritten von<br />
22cm auf 10cm reduziert. Die PE-Dicke wurde in allen Fällen zwischen 1mm<br />
und 4mm variiert, die Breite der PE-Platten wurde bei allen Messungen nicht<br />
verändert, das Kabel wurde in allen Fällen immer vollständig von den PE-<br />
Platten umschlossen.<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 21
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an Hochspannungskabelgarnituren“ – <strong>Diplomarbeit</strong> an der TU-Berlin / IEE 1999<br />
Abb. 4-11: Einbau der PE-Platten<br />
Die ohmschen Anpassungswiderstände wurden auf beiden Seiten des Kopplers<br />
jeweils paarweise parallel zum Anschluss der Messleitungen zwischen<br />
Kopplerfläche und Schirm gelötet.<br />
Abb. 4-12: Position der Anpassungswiderstände<br />
Zur TE-Messung wurde ein Impuls von 150pC (Kalibrator RH-LCD 2) in das<br />
Energiekabel eingespeist und von den beiden Ausgängen des Richtkopplers<br />
über 50Ω-Leitungen einem breitbandigen Oszilloskop zugeführt.<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 22
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Abb. 4-13: Messung der Richtschärfe<br />
Die Messung des Wellenwiderstandes des Kopplers erfolgte in einem<br />
gesonderten Schritt mit dem TDR über eine der beiden 50Ω-Messleitungen.<br />
Abb. 4-14: Bestimmung des Wellenwiderstandes mit dem TDR<br />
In dieser Weise wurde auch der reflexionsfreie Abschluss an einer Kopplerseite<br />
überprüft, bevor die zweite Seite auf gleiche Art angepasst wurde.<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 23
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Der vollständige Versuchsablauf ist in folgendem Diagramm beschrieben:<br />
Neue Kopplerbreite<br />
Wellenwiderstand des Kopplers mit TDR messen<br />
Neue PE-Dicke<br />
Impulse am Oszilloskop messen<br />
Abschlusswiderstand auf der 1. Seite des Kopplers auflöten<br />
Anpassung mit TDR überprüfen<br />
Abschlusswiderstand auf der 2. Seite des Kopplers auflöten<br />
Impulse am Oszilloskop messen<br />
Abschlusswiderstände entfernen<br />
Abb. 4-15: Versuchsablauf<br />
22cm-10cm<br />
1mm–4mm<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 24
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4.1.2.2 Gegenüberstellung der Oszillogramme<br />
Ohne Parallelwiderstand Mit Parallelwiderstand<br />
RK 14cm, 1mm PE<br />
14/2<br />
14/3<br />
4,6Ω parallel<br />
8,4Ω<br />
9,8Ω<br />
14/4 9,8Ω<br />
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18/1<br />
18/2<br />
18/3<br />
18/4<br />
4,8Ω<br />
6,8Ω<br />
8,5Ω<br />
9,8Ω<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 26
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22/1<br />
22/2<br />
22/3<br />
22/4<br />
5,0Ω<br />
7,0Ω<br />
7,0<br />
7,3Ω<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 27
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4.1.2.3 Gegenüberstellung der Messergebnisse<br />
Die aus den Oszillogrammen zu entnehmenden Daten sind im folgenden<br />
tabellarisch zusammengefasst:<br />
Breite<br />
[m]<br />
PE<br />
[mm]<br />
Nah<br />
[mV]<br />
Fern<br />
[mV]<br />
Verhältnis<br />
1 zu<br />
ZKoppler<br />
[Ω]<br />
benötigt<br />
parallel<br />
[Ω]<br />
0,22 1 202 149 1,36 4,5 4,95<br />
2 268 146 1,84 5,8 6,56<br />
3 294 120 2,45 6,2 7,08<br />
4 330 106 3,11 6,8 7,87<br />
0,18 1 188 137 1,37 4,6 5,07<br />
2 280 170 1,65 6 6,82<br />
3 300 150 2,00 7,4 8,69<br />
4 342 140 2,44 8,1 9,67<br />
0,14 1 165 127 1,30 4,5 4,95<br />
2 256 149 1,72 7 8,14<br />
3 282 132 2,14 8,7 10,53<br />
4 383 133 2,88 8,8 10,68<br />
Tabelle 4-1: Messergebnisse ohne Parallelwiderstand<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 28
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Breite PE Nah Fern Verhältnis hat parallel<br />
[m] [mm] [mV] [mV] 1 zu [Ω]<br />
0,22 1 94 76 1,24 5,00<br />
2 132 56 2,36 7<br />
3 162 36 4,50 7<br />
4 170 39 4,36 7,8<br />
0,18 1 105 40 2,63 4,8<br />
2 141 64 2,20 6,8<br />
3 167 68 2,46 8,5<br />
4 208 60 3,47 9,8<br />
0,14 1 113 46 2,46 4,6<br />
2 147 57 2,58 8,4<br />
3 186 58 3,21 9,8<br />
4 178 48 3,71 9,8<br />
Tabelle 4-2: Messergebnisse mit Parallelwiderstand<br />
Anmerkung: Die Spannungswerte für den nahen und fernen Richtkopplerausgang<br />
wurden stets positiv gesetzt. Als Maximalwert wurde jeweils das erste lokale Maximum<br />
gewählt. Abweichend hiervon bewertet eine automatische Messerfassung den<br />
Maximalwert unter Umständen anders, da die S&H-Schaltung über einen längeren<br />
Zeitbereich an der Signalspannung anliegt, also nicht unbedingt das erste lokale<br />
Maximum ermittelt. Die Herannahme des ersten Maximums scheint mir jedoch unter<br />
der Voraussetzung einer grundlegenden Betrachtung als richtig, die S&H-Problematik<br />
für kurze Zeiträume soll nicht Gegenstand meiner Betrachtung sein.<br />
Zur Bewertung dieser Ergebnisse können die Werte in verschiedenster Form<br />
zueinander in Beziehung gesetzt werden. Abbildung 4-16 verdeutlicht den<br />
Gewinn an Richtschärfe in allen Fällen (bis auf die ohnehin ungünstige<br />
Konfiguration 22cm Kopplerbreite / 1mm PE, im weiteren Verlauf bezeichnet mit<br />
„22/1“).<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 29
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Richtverhältnis 1 zu<br />
4,50<br />
4,00<br />
3,50<br />
3,00<br />
2,50<br />
2,00<br />
1,50<br />
1,00<br />
0,50<br />
0,00<br />
0,22/1 0,22/2 0,22/3 0,22/4<br />
Vergleich Richtverhältnis<br />
0,18/1<br />
0,18/2<br />
0,18/3<br />
Geometrie Richtkoppler<br />
Abb. 4-16: Vergleich Richtverhältnis, vorne: ohne Parallelwiderstand, hinten: mit<br />
Parallelwiderstand<br />
Unabhängig von der Frage der Anpassung auf dem Koppler ist deutlich zu<br />
erkennen, dass eine steigende PE-Dicke einen kontinuierlichen Zuwachs an<br />
Richtschärfe bewirkt. Die generelle Problematik der Abstimmung eines<br />
Richtkopplersensors auf ein spezielles Energiekabel ist u. a. in [9] beschrieben.<br />
In Abbildung 4-17 ist der Gewinn des Richtverhältnisses des Kopplers mit<br />
Parallelwiderstand im Verhältnis zum nicht angepassten Koppler dargestellt.<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 30<br />
0,18/4<br />
0,14/1<br />
0,14/2<br />
0,14/3<br />
0,14/4
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Verbesserung um Faktor<br />
2,50<br />
2,00<br />
1,50<br />
1,00<br />
0,50<br />
0,00<br />
Verbesserung des Richtverhältnisses<br />
0,22/1 0,22/2 0,22/3 0,22/4 0,18/1 0,18/2 0,18/3 0,18/4 0,14/1 0,14/2 0,14/3 0,14/4<br />
Geometrie Richtkoppler<br />
Abb. 4-17: Verbesserungsfaktor des Richtverhältnisses<br />
Wie schon in Abbildung 4-16 zu erkennen, ist bis auf die Konfiguration 22/1 in<br />
jedem Fall eine Verbesserung des Richtverhältnisses eingetreten. Eine<br />
einfache Systematik bei der Verbesserung ist dem Diagramm jedoch nicht zu<br />
entnehmen. Es treten drei ungefähr gleichwertige Maxima bei den<br />
Kopplerkonfigurationen 22/3, 18/1 und 14/1 auf. Prinzipiell erscheint es<br />
einleuchtend, dass die Verbesserung dort groß ist, wo ohne Parallelwiderstand<br />
ein schlechtes Richtverhältnis aufgetreten ist, also in allen Fällen mit 1mm PE-<br />
Dicke (die Konfiguration 22/1 wird somit zur „universellen Ausnahme“ dieser<br />
Messreihe erklärt).<br />
Besondere Beachtung ist der Konfiguration 22/3 zu schenken. Hier wird das<br />
beste Richtverhältnis von 1:4,50 erzielt. Der Gewinn an Richtverhältnis durch<br />
den Parallelwiderstand liegt in der Gruppe der drei beschriebenen Maxima, so<br />
dass behauptet werden kann, dass hier eine erhebliche Verbesserung des<br />
Kopplers erreicht wurde.<br />
Negativ wirkt sich jedoch in allen Fällen der schon erklärte Verlust an nutzbarer<br />
Spannungshöhe aus, wie in Abbildung 4-18 zu erkennen ist.<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 31
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Spannung [mV]<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
0,22/1<br />
0,22/2<br />
0,22/3<br />
0,22/4<br />
Vergleich der Nutzspannungen<br />
0,18/1<br />
0,18/2<br />
0,18/3<br />
Geometrie Richtkoppler<br />
Abb. 4-18: Nutzbare Signalspannung am Kopplerausgang in Detektionsrichtung<br />
vorne: Spannung mit Parallelwiderstand, hinten: Spannung ohne Parallelwiderstand<br />
Analog zu Abbildung 4-17 werden in Abbildung 4-19 beide Spannungen<br />
aufeinander bezogen.<br />
Verschlechterung um Faktor<br />
2,50<br />
2,00<br />
1,50<br />
1,00<br />
0,50<br />
0,00<br />
0,18/4<br />
Verringerung der Nutzspannung<br />
0,22/1 0,22/2 0,22/3 0,22/4 0,18/1 0,18/2 0,18/3 0,18/4 0,14/1 0,14/2 0,14/3 0,14/4<br />
Geometrie Richtkoppler<br />
0,14/1<br />
0,14/2<br />
Abb. 4-19: Verringerung der Nutzspannung<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 32<br />
0,14/3<br />
0,14/4
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Bei Abschluss des Kopplers mit einem Parallelwiderstand ist eine<br />
Verschlechterung um den Faktor 1,5 bis 2 typisch. Ohne Abschlusswiderstand<br />
liegt nahezu die volle Signalspannung an der 50Ω-Leitung und damit am<br />
angeschlossenen Messgerät an, bei Anpassung reduziert sich der Wert auf die<br />
Hälfte. Die schon angegebene Begründung durch die Veränderung des<br />
entstehenden Spannungsteilers deckt sich also mit den gemessenen Werten,<br />
wie auch Abbildung 4-20 aufzeigt.<br />
Verschlechterung um Faktor<br />
2,50<br />
2,00<br />
1,50<br />
1,00<br />
0,50<br />
0,00<br />
0,22/1<br />
0,22/2<br />
0,22/3<br />
Reduzierung der Signalspannung<br />
0,22/4<br />
0,18/1<br />
0,18/2<br />
0,18/3<br />
Geometrie Richtkoppler<br />
Abb. 4-20: Verringerung der Nutzspannung, vorne: gemessen wie Abb. 4-19, hinten: berechnet<br />
Um positive und negative Aspekte des Abschlusswiderstandes abzuwägen,<br />
müssen der Gewinn an Richtverhältnis und der Verlust an Signalspannung<br />
miteinander mathematisch verknüpft werden. Hierzu schlage ich einen<br />
allgemeinen Ansatz für die Verbesserung V<br />
X<br />
A<br />
V = (Gl. 4-2)<br />
B<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 33<br />
0,18/4<br />
0,14/1<br />
0,14/2<br />
0,14/3<br />
0,14/4
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vor, in dem je nach Anforderung an die Messung die Gewichtung individuell<br />
vorgenommen werden kann. Der Faktor A entspricht hierbei dem<br />
Verbesserungsfaktor des Richtverhältnisses aus Abbildung 4-17, der Faktor B<br />
entspricht dem Verschlechterungsfaktor der Nutzspannung aus Abbildung 4-19.<br />
Der Exponent X gewichtet den Einfluss der beiden Faktoren.<br />
Bei Messbedingungen, bei denen es auf eine große nutzbare Signalspannung<br />
ankommt, wird der Exponent kleiner 1. Dies kann z. B. bei Messungen mit<br />
geringem TE-Pegel der Fall sein, bei denen die Fehlerstelle trotz eines geringen<br />
Richtverhältnisses eindeutig zu orten ist.<br />
Als Beispiel sei eine Kabelstrecke mit mehreren Muffen genannt. Alle Muffen<br />
besitzen Richtkopplersensoren. Eine Muffe habe geringfügige TE. Die Koppler<br />
an dieser Muffe sprechen mit geringer Richtschärfe an, alle anderen Koppler<br />
messen aufgrund der Signaldämpfung des Kabels keine TE.<br />
Im Gegensatz dazu wird ein besonders hoher Anspruch an das Richtverhältnis<br />
bei Stückprüfungen von Muffen gefordert, wie es im Kapitel 8.1 Kabelprüfung<br />
am IPH beschrieben ist.<br />
Hier sind mehrere Muffen durch sehr kurze Kabelstücke miteinander<br />
verbunden, so dass eine mögliche Signaldämpfung nicht wirksam wird. Bei TE<br />
innerhalb einer Muffe muss also durch Richtungsselektivität ein Hinweis auf die<br />
Fehlerstelle erfolgen können. Bei automatisierten Auswerteeinheiten ist hier ein<br />
Richtverhältnis von mindestens 1:3 anzustreben.<br />
Tabelle 4-3 gibt einen Eindruck über den Einfluss des Exponenten X aus<br />
Gleichung 4-2. Werte größer als 1 bezeichnen eine Verbesserung durch die<br />
Verwendung eines Parallelwiderstandes, Werte kleiner 1 belegen eine<br />
Verschlechterung.<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 34
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Geometrie / X 0,1 0,5 1 2 3 4<br />
0,22/1 0,46 0,44 0,42 0,39 0,35 0,32<br />
0,22/2 0,51 0,56 0,63 0,81 1,04 1,34<br />
0,22/3 0,59 0,75 1,01 1,86 3,41 6,27<br />
0,22/4 0,53 0,61 0,72 1,01 1,41 1,98<br />
0,18/1 0,60 0,77 1,07 2,04 3,91 7,48<br />
0,18/2 0,52 0,58 0,67 0,90 1,21 1,61<br />
0,18/3 0,57 0,62 0,68 0,84 1,03 1,27<br />
0,18/4 0,63 0,72 0,86 1,22 1,74 2,47<br />
0,14/1 0,73 0,94 1,29 2,45 4,63 8,75<br />
0,14/2 0,60 0,70 0,86 1,29 1,94 2,91<br />
0,14/3 0,69 0,81 0,99 1,49 2,23 3,35<br />
0,14/4 0,48 0,53 0,60 0,77 0,99 1,28<br />
Tabelle 4-3: Verbesserungen durch Parallelwiderstand bei verschiedenen Exponenten X in<br />
Gl. 4-2<br />
Erst ab einem Exponenten von X gleich 3 sind alle Werte in der Tabelle größer<br />
als 1, eine Verbesserung tritt also nur bei einer extremen Gewichtung<br />
zugunsten des Richtverhältnisses auf. Die drei schon beschriebenen Maxima<br />
beim Gewinn des Richtverhältnisses sind auch in dieser Form der<br />
Beschreibung wiederzufinden. Erst hier zeigt sich jedoch, dass die<br />
Konfiguration 14/1 günstiger als das bisher angenommene Optimum 22/3 ist.<br />
Für alle betrachteten Exponenten X ist die Gesamtverbesserung V höher.<br />
Anzustreben wäre eine reale Verbesserung schon bei einem Exponenten von 1,<br />
was einer Verbesserung des Richtverhältnisses um den Faktor 2 entspricht.<br />
Ansatzpunkt könnte hier der Abschlusswiderstand selbst sein. Genauere<br />
Untersuchungen darüber und auch über die Einbauart sollten Gegenstand<br />
weiterführender Arbeiten sein.<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 35
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4.2 Reflexionen an Muffen<br />
Bei Prüfungen von industriellen Kabellängen spielen Reflexionen an<br />
Verbindungsmuffen keine entscheidende Rolle, durch die Signaldämpfung der<br />
Kabel werden reflektierte Signale stark geschwächt und haben keinen weiteren<br />
Einfluss auf die Messungen.<br />
Bei Versuchen mit Kabelkurzstücken und mehreren Muffen (S. 8.1<br />
Kabelprüfung am IPH) gibt es kaum Dämpfung auf den Kabeln, Reflexionen<br />
können sich ungünstig mit dem eigentlichen Messsignal überlagern. Als<br />
Beispiel soll hier Abbildung 8-2 dienen. Auf dem Oszillogramm sind die<br />
Reflexionen der SF6-Muffe und des Endverschlusses gut zu erkennen.<br />
5 Verwendung von realen TE-Kalibratoren in der<br />
Simulation<br />
Innerhalb von PSpice können Signalquellen in vielfältiger Weise simuliert<br />
werden. Ein vorgegebener Spannungs-Zeit-Verlauf eines TE-Kalibrators kann<br />
z. B. durch eine teilweise lineare Approximation, durch e-Funktionen oder gar<br />
durch die Nachbildung des inneren Aufbaus des Gerätes realisiert werden.<br />
Als einfachste Möglichkeit bietet sich jedoch an, den Impulsverlauf in Form von<br />
Punktepaaren der Simulation zur Verfügung zu stellen. Die Spannungsquelle<br />
„VPWL_FILE“ kann mit einer Textdatei (*.TXT) verknüpft werden, so dass diese<br />
Punktepaare dann als Spannungs-Zeit-Paare ausgegeben werden. Das<br />
Oszilloskop TDS 684B von Tektronix kann Spannungs-Zeit-Verläufe von<br />
einzelnen Kanälen im EXCEL-Format „*.CSV“ speichern, was einer<br />
tabellarischen Auflistung von Zeit- und Spannungswerten entspricht. Zur<br />
Verwendung innerhalb von PSpice muss jedoch die Zeitachse so verschoben<br />
werden, dass keine negativen Werte mehr auftreten (das Oszilloskop setzt den<br />
Triggerzeitpunkt zu Null, zeichnet aber auch Datensätze davor auf!). Zu diesem<br />
Zweck wurde in PASCAL ein Programm realisiert, welches diese<br />
Koordinatenverschiebung durchführt. Per <strong>Dr</strong>ag´n´<strong>Dr</strong>op können Dateien im CSV-<br />
Format auf das Programm TEK2TXT.EXE gezogen werden, automatisch<br />
werden dann Dateien mit der Endung „TXT“ erzeugt, deren erste Zeitwerte bei<br />
Null starten.<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 36
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Zur Veranschaulichung dieses Prozesses sind die Arbeitsschritte nochmals<br />
aufgeführt:<br />
Gewünschten Spannungs-Zeit-Verlauf am Oszilloskop einstellen:<br />
Abb. 5-1: Spannungs-Zeit-Verlauf am Oszilloskop<br />
Der entsprechende Kanal wird dann im Format „CSV“ gespeichert und kann in<br />
EXCEL tabellarisch<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 37
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und grafisch<br />
Abb. 5-2: Datenformat CSV<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 38
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dargestellt werden.<br />
Abb. 5-3: Grafische Darstellung<br />
Die CSV-Datei wird nun per <strong>Dr</strong>ag´n´<strong>Dr</strong>op auf das Programm TEK2TXT.EXE<br />
gezogen,<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 39
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Abb. 5-4: Umwandlung von „CSV“ in „TXT“<br />
welches eine entsprechende TXT-Datei anlegt, die dann in PSpice durch<br />
folgenden Aufbau genutzt werden kann:<br />
Abb. 5-5: Simulationsaufbau in PSpice<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 40
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Anmerkung: Die PSpice -Version 8.0 arbeitet bei der Verwendung von FILE-Quellen<br />
geringfügig fehlerhaft! Üblicherweise wird die Simulation NICHT durchgeführt, PSpice<br />
gibt eine Fehlermeldung für ein Bauteil aus, welches definitiv nicht fehlerbehaftet ist.<br />
Ursache hierfür ist die Art der Einbindung der FILE-Quellen in die automatisch<br />
generierten Netzlisten und in andere Eingabedateien. Die FILE-Quelle benötigt zwei<br />
Textzeilen, alle anderen verwendeten Bauteile nur eine, was den Compiler aus der<br />
Bahn wirft.<br />
Dieses Problem lässt sich umgehen, wenn man die FILE-Quelle als letztes Bauteil im<br />
grafischen Editor bearbeitet, z. B. es kopiert, löscht und wieder an derselben Stelle<br />
einfügt. In der Netzliste steht dann die Quelle an letzter Position, was den Compiler<br />
nicht weiter stört. Die Simulation läuft fehlerfrei.<br />
Die transiente Simulation führt zu folgendem Zeitverlauf:<br />
Abb. 5-6: Zeitverlauf des TE-Kalibrators in PSpice<br />
Innerhalb der Simulation können jetzt weitere mathematische Operationen<br />
ausgeführt werden, z. B. die Bestimmung der Impulsladung<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 41
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Abb. 5-7: Nummerische Bestimmung der Impulsladung an 50Ω Last<br />
oder die Transformation in den Frequenzbereich.<br />
Abb. 5-8: FFT des Impulses aus Abb. 5-6<br />
Anmerkung: Die Werte bei niedrigen Frequenzen sind aufgrund von nummerischen<br />
Problemen mit einer gewissen Unsicherheit belastet, für die Auswertung der<br />
Richtkopplerproblematik jedoch unerheblich.<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 42
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6 Simulation des Richtkopplers<br />
Eine vollständige realitätsnahe Simulation des Richtkopplers auf einem<br />
Hochspannungskabel ist nicht trivial. Der Mehrschichtaufbau des<br />
Hochspannungskabels macht die Verwendung von vorgefertigten Modellen in<br />
PSpice unmöglich, der modulare Aufbau von diskreten Bauelementen zur<br />
Nachbildung ist zwar prinzipiell möglich, liefert jedoch erheblich mehr Bauteile,<br />
als in der Studentenversion von PSpice erlaubt sind. An dieser Stelle also die<br />
Anregung, über den Kauf einer Vollversion nachzudenken...<br />
Um ein brauchbares Simulationsmodell zu erlangen, werden einige<br />
Vorüberlegungen angestellt und simuliert.<br />
Anfangspunkt ist die Darstellung eines Kabels in PSpice.<br />
6.1 Kabel als π-Glied<br />
Zur vereinfachten Betrachtung wird das Hochspannungskabel als einfaches π-<br />
Glied dargestellt. Der mehrschichtige Aufbau bleibt dabei unberücksichtigt, es<br />
ist lediglich von Interesse, dass für den betrachteten Frequenzbereich keine<br />
Dämpfung auftritt.<br />
Abb. 6-1: π-ESB, Aufbau in PSpice<br />
Wellenwiderstand und Grenzfrequenz des Modells folgen aus den<br />
Bauteilgrößen für Kapazitäten und Induktivitäten.<br />
Eine Analyse im Frequenzbereich zeigt, dass das Signal bis zu einer<br />
Grenzfrequenz von ungefähr 1GHz linear übertragen wird.<br />
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Abb. 6-2: Frequenzverhalten<br />
Die Darstellung im Zeitbereich bestätigt dieses, das Signal ist am Ende des<br />
Kabels lediglich ein wenig geglättet.<br />
Abb. 6-3: TE-Signal am Anfang und Ende des Kabels<br />
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6.2 Koppler als π-Glied<br />
In einem ersten Schritt wurde der Koppler mit dem gleichen Wellenwiderstand<br />
wie das Kabel nachgebildet. Für diesen Fall ist eine bessere Richtschärfe zu<br />
erzielen.<br />
Abb. 6-4: Nachbildung Kabel mit Richtkoppler<br />
Alle Wellen- und Abschlusswiderstände betragen 33Ω, die Abstimmung des<br />
Kopplers wurde mit Hilfe der Parametervariation in PSpice vorgenommen<br />
(Bauelement PARAMETERS).<br />
Abb. 6-5: Durchlass- und Sperrrichtung im Frequenzbereich<br />
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Bis auf einen schmalen Bereich um die Resonanzfrequenz von 1GHz liegt die<br />
Ausgangsspannung in Sperrrichtung immer unterhalb der Spannung in<br />
Durchlassrichtung.<br />
Abb. 6-6: Durchlass- und Sperrrichtung im Zeitbereich<br />
Entsprechend der Betrachtung im Frequenzbereich zeigt sich nun im<br />
Zeitbereich eine Anregung in Sperrrichtung mit einer Frequenz von 1GHz.<br />
6.2.1 Fehlanpassung<br />
Ein realer Richtkoppler mit einem Wellenwiderstand von ca. 4Ω wird über eine<br />
50Ω-Messleitung abgegriffen. Um diesen Effekt am Beispiel dieses Aufbaus zu<br />
demonstrieren wurden die Richtkopplerausgänge mit in entsprechender Weise<br />
erhöhten Abschlusswiderständen, hier 400Ω, belastet.<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 46
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Abb. 6-7: Zeitverlauf bei um Faktor 12,5 zu großem Abschlusswiderstand<br />
Im Frequenzbereich ist die Ursache dieses Verhaltens ersichtlich.<br />
Abb. 6-8: Frequenzverlauf bei Fehlanpassung<br />
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Bis ca. 1GHz gibt es keinen relevanten Unterschied zwischen Sperr- und<br />
Durchlassrichtung. Erst für Frequenzanteile oberhalb 1GHz existiert eine<br />
Richtwirkung.<br />
6.3 Berücksichtigung von Laufzeiten<br />
Zur Berücksichtigung von endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten wurde das<br />
Modell verfeinert. Die Kopplerstrecke von 30cm wurde in zwei gleiche Teile zu<br />
je 750ps Laufzeit unterteilt. Die Überkopplung erfolgt jeweils an den Enden und<br />
in der Mitte des Kopplers.<br />
Abb. 6-9: Einführung von verlustlosen Leitungen<br />
Im Zeitbereich sind die drei diskreten Überkopplungen mit einer<br />
Laufzeitdifferenz von ca. 1,7ns genau zu erkennen, was abgesehen von nicht<br />
mehr so steilen Anstiegsflanken noch nahe an den erwarteten 1,5ns liegt.<br />
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Abb. 6-10: Zeitverlauf bei diskreter Überkopplung an drei Stellen<br />
Für eine exakte Betrachtung müsste also die Überkopplung in kleinere<br />
Abschnitte unterteilt werden.<br />
Als weitere Möglichkeit bleibt die Verringerung der Leitungslaufzeiten (also ein<br />
Abschied von den angestrebten geometrischen Verhältnissen und Frequenzen),<br />
was für eine grundlegende Betrachtung zulässig ist. Im folgenden wird also mit<br />
einer Laufzeit von 100ps pro Leitungselement gearbeitet.<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 49
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Abb. 6-11: Überkopplung bei jeweils 100ps Laufzeit<br />
Die diskreten Überkopplungen sind nun verschwunden, sie überlagern sich zu<br />
nur noch einem Signal. Die neu erfolgte Abstimmung des Kopplers brachte<br />
dabei ein sehr gutes Richtverhältnis.<br />
6.3.1 Fehlanpassung<br />
Um einen weiteren Eindruck über Fehlanpassung am Kopplerausgang zu<br />
erhalten, wurden die Abschlusswiderstände wiederum auf 400Ω erhöht.<br />
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Abb. 6-12: Fehlanpassung am Kopplerausgang<br />
Hier ist zu erkennen, dass der vorher sehr gut abgestimmte Koppler seine<br />
Richteigenschaften völlig verliert.<br />
6.4 Richtkoppler mit realem Wellenwiderstand<br />
Zur weiteren Annäherung an ein sinnvolles Modell wird nun der Richtkopplerteil<br />
mit einem Wellenwiderstand von 4Ω dargestellt. Dazu wurden die<br />
entsprechenden Kapazitäten und Induktivitäten sowie die verlustlosen<br />
Leitungen angepasst.<br />
Abbildung 6-13 zeigt nach einer Variation der induktiven Verkopplung zwei<br />
verschieden abgestimmte Koppler.<br />
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Abb. 6-13: Induktive Verkopplung k=0,02 und k=0,09<br />
Bei der geringeren induktiven Verkopplung von k=0,02 (gelbe Kurve: Signal in<br />
Durchlassrichtung, rote Kurve: Signal in Sperrrichtung) herrscht die kapazitive<br />
Verkopplung vor, die Signale aus Durchlass- und Sperrrichtung sind in Phase.<br />
Im anderen Fall (blau bzw. hellblau) herrscht die induktive Verkopplung vor, die<br />
Impulse sind gegenphasig.<br />
Eindeutig ist aber eine Verschlechterung gegenüber dem 33Ω-Koppler zu<br />
erkennen.<br />
6.4.1 Einfluss des Abschlusswiderstandes<br />
Bei der Variation des Abschlusswiderstandes wurden die Fälle des realen 50Ω-<br />
Abschlusses und des angepassten 4Ω-Abschlusses untersucht.<br />
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Abb. 6-14: Zeitverläufe bei 4Ω und 50Ω<br />
Wie schon theoretisch berechnet und messtechnisch überprüft, ist auch hier der<br />
Rückgang der Signalspannung in Durchlassrichtung zu erkennen. Die<br />
Spannung geht von 9,3mV (blaue Kurve) auf 5,2mV (gelbe Kurve) zurück.<br />
Im Falle des 50Ω-Abschlusses sind lang andauernde Reflexionsvorgänge an<br />
beiden Ausgängen des Richtkopplers zu erkennen (blaue bzw. hellblaue<br />
Kurve), bei Anpassung sind bereits nach 8ns keine nennenswerten<br />
Signalspannungen mehr zu verzeichnen. Besonders wiegt hier im Vergleich das<br />
zweite negative lokale Maximum des mit 50Ω belasteten Ausgangs in<br />
Sperrrichtung (hellblaue Kurve), was das erste Maximum an Spannungshöhe<br />
sogar übertrifft.<br />
6.5 Zusammenfassung<br />
Die Richtschärfe eines Richtkopplers wird aus folgenden Gründen reduziert:<br />
Die Wellenwiderstände der verkoppelten Leitungen sind nicht<br />
aufeinander abgestimmt.<br />
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Die Abschlusswiderstände des Richtkopplers führen zu Reflexionen<br />
auf dem Koppler, ein in Durchlassrichtung erfasstes Signal wird zum<br />
Ausgang in Sperrrichtung hin reflektiert und dort ebenfalls detektiert.<br />
Durch die Verkopplung selbst wird der Wellenwiderstand der beiden<br />
Leiter verändert, es folgen sich ausbreitende Wellen auf beiden<br />
Teilsystemen in beide Richtungen, die dann natürlich von beiden<br />
Ausgängen des Richtkopplers erfasst werden.<br />
Für eine ausreichende Richtschärfe, die von einer automatischen<br />
Auswerteeinheit oder vom Prüfingenieur gefordert wird, ist es sowohl in der<br />
Simulation, als auch in der Realität, unausweichlich, durch Iterationen ein<br />
subjektives Optimum zu bestimmen. Dieses Optimum liegt dann jedoch aus den<br />
erwähnten Gründen weit von der theoretisch zu erzielenden Richtschärfe<br />
entfernt. Gute Ergebnisse sind dann zu erzielen, wenn durch die Geometrie des<br />
Kopplers ein Wellenwiderstand in der Größenordnung des Wellenwiderstandes<br />
des Kabels eingestellt werden kann.<br />
7 TE-Kalibratoren<br />
Zur Kalibrierung von Messkreisen werden spezielle Impulsgeber verwendet.<br />
Diese TE-Kalibratoren unterscheiden sich jedoch erheblich untereinander, so<br />
dass das spätere Messergebnis in hohem Maße von der Wahl des Gerätes<br />
abhängig ist.<br />
Trotz gleicher Impulsladung weisen die Ausgangssignale der Kalibratoren<br />
verschiedene Anstiegszeiten, Impulsbreiten und Maximalspannungen auf. Der<br />
zu erzeugende Ladungsimpuls kann dabei positiv oder negativ sein.<br />
Bei der Verwendung von Richtkopplersensoren zur TE-Messung ist das<br />
Frequenzspektrum des Kalibrierimpulses von großer Bedeutung, da die<br />
Überkopplung vom Energiekabel zum Richtkoppler auf eine relativ geringe<br />
Bandbreite beschränkt ist. Generell sind zur Messung mit Richtkopplern<br />
Kalibratoren mit schnellen Impulsen und hohen Frequenzanteilen besonders<br />
geeignet.<br />
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Im folgenden werden die Spannungs-Zeit-Verläufe von mehreren Kalibratoren<br />
gegenübergestellt.<br />
7.1 LDJ5<br />
Der Kalibrator LDJ5 stellt energiereiche Impulse (500pC bis 10000pC) mit<br />
negativem Maximum bereit. Für die Messung wurde der Ausgang mit 500pC<br />
Impulsladung gewählt. Alle Messungen erfolgten mit 50Ω Belastung.<br />
Abb. 7-1: Oszillogramm 500pC LDJ5<br />
Die nummerische Integration des Oszilloskops (zweite Kurve) liefert mit der<br />
„Area“-Funktion vergleichbare Werte. Auf die Zahlenwerte wird im folgenden<br />
genauer eingegangen.<br />
Der Spannungsverlauf wurde als Punktepaare gespeichert und in PSpice als<br />
Quelle simuliert.<br />
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Abb. 7-2: Simulation 500pC LDJ5<br />
Die nummerische Integration innerhalb von PSpice liefert für die maximale<br />
Ladung ähnliche Werte, die genauen Zeitverläufe unterscheiden sich<br />
geringfügig, vor allem im Bereich konstanter Spannung, was auf eine<br />
fehlerhafte Bestimmung der Integrationskonstante hinweist.<br />
Die Darstellung des Frequenzspektrums wurde mit der FFT-Funktion in PROBE<br />
erstellt.<br />
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7.2 PD CAL2A<br />
Abb. 7-3: Simulation FFT 500pC LDJ5<br />
Der Kalibrator PD CAL2A kann per Taster von 1pC bis 50pC positiv und negativ<br />
betrieben werden. Die Messungen wurden mit einem positiven 5pC-Impuls<br />
durchgeführt.<br />
Abb. 7-4: Oszillogramm 5pC PD CAL2A<br />
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Abb. 7-5: Simulation 5pC PD CAL2A<br />
Abb. 7-6: Simulation FFT 5pC PD CAL2A<br />
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7.3 RH-3/6<br />
Der Kalibrator RH-3/6 ist kein TE-Kalibrator im eigentlichen Sinne. Die<br />
Impulsladung kann nicht in der Einheit „pC“ vorgewählt werden. Der erzeugte<br />
Impuls kann lediglich durch einen Umschalter von 3ns auf 6ns verbreitert<br />
werden. Das Gerät verfügt über integrierte Dämpfungsglieder, die beliebig<br />
zugeschaltet werden können, was einer zusätzlichen Variationsmöglichkeit bei<br />
der Impulsladung gleichkommt. Die Impulsladung ist lastabhängig.<br />
Die Messungen wurden mit einem 3ns-Impuls ohne Dämpfung durchgeführt.<br />
Abb. 7-8: Oszillogramm 0dB RH-3/6<br />
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Abb. 7-9: Simulation 0dB RH-3/6<br />
Abb. 7-10: Simulation FFT 0dB RH-3/6<br />
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7.4 RH-LCD 2<br />
An diesem Kalibrator kann die Impulsladung komfortabel stufenlos eingestellt<br />
werden. Die Polarität ist negativ, das Signal besitzt keine nennenswerten<br />
Durchschwinger.<br />
Abb. 7-11: Oszillogramm 150pC RH-LCD 2<br />
Abb. 7-12: Simulation 150pC RH-LCD 2<br />
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Abb. 7-13: Simulation FFT 150pC RH-LCD 2<br />
7.5 Gegenüberstellung der Kalibratoren<br />
Von den vier untersuchten Geräten sind die Modelle LDJ5, PD CAL2A und RH-<br />
LCD 2 kalibrierte Impulsgeber. Das Gerät RH-3/6 ist lediglich für Testzwecke<br />
konzipiert, bei denen es auf kurze Impulse ankommt.<br />
Das Modell LDJ5 ist mit seinen Signalausgängen für 500pC, 5000pC und<br />
10000pC nicht für die üblichen geringen TE-Pegel ausgelegt, die bei der<br />
Verwendung von Richtkopplersensoren z. B. an Muffen typisch sind. Zudem<br />
weist dieser Kalibrator die geringste Bandbreite auf, was wiederum der mit<br />
Abstand langsamsten Anstiegszeit tr entspricht.<br />
Modell Qsoll [pC] Qist<br />
[pC]<br />
Pol. tr<br />
[ps]<br />
Umax<br />
[mV]<br />
AREA<br />
[pVs]<br />
Frequenzanteile bis ca.<br />
[MHz]<br />
LDJ5 500 483,7 - 51000 188 24186,0 160<br />
PD CAL2A 5 4,1 + 350 351 203,5 2500<br />
RH-3/6 keine Dämpfung 18,4 + 1640 171 922,0 1000<br />
RH-LCD 2 150 152,9 - 416 4640 7644,4 2500<br />
Tabelle 7-1: Vergleich der Kalibratoren<br />
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Im Vergleich der vorgegebenen zur gemessenen Ladungsmenge schneidet der<br />
Kalibrator PD CAL2A bei der untersuchten Einstellung am Schlechtesten ab.<br />
Der eingestellte Wert von 5pC brachte lediglich eine gemessene Impulsladung<br />
von 4,1pC, immerhin ein Fehler von 20%, der bei sensiblen Messungen das<br />
Gesamtbild verfälschen kann.<br />
Es ist also notwendig, vor jeder Kalibrierung des Messkreises den TE-Kalibrator<br />
auf seine Funktionalität zu überprüfen. Neben systematischen Fehlern des<br />
Gerätes fehlt an fast allen Impulsgebern eine Batteriestatusanzeige, die den<br />
Benutzer vor zu geringen tatsächlichen Ladungsinhalten warnt.<br />
8 Richtkoppler im Prüfeinsatz<br />
Bei Typ- und Stückprüfungen von Hochspannungskabelgarnituren muss das zu<br />
testende Betriebsmittel eine Reihe von elektrischen, thermischen und<br />
mechanischen Beanspruchungen standhalten. Wie schon erwähnt ist hierbei<br />
die Einhaltung eines TE-Grenzwertes für innere Teilentladungen eine<br />
entscheidende Forderung, je nach den Vorschriften des Prüfkunden kann sogar<br />
eine vollständige TE-Freiheit (TE-Pegel unter der Nachweisgrenze) gefordert<br />
sein. Neben der klassischen TE-Messtechnik zur Pegelbestimmung können<br />
hierbei Richtkoppler einen genaueren Hinweis auf mögliche Fehlerorte geben.<br />
8.1 Kabelprüfung am IPH<br />
Im Rahmen einer Typprüfung wurden am IPH (Institut „Prüffeld für elektrische<br />
Hochleistungstechnik“ GmbH) ein Aufbau bestehend aus zwei<br />
Endverschlüssen, einer SF6-Muffe, einer Feststoffmuffe und drei Kabelstücken<br />
zu je ca. 15m untersucht.<br />
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Abb. 8-1: Schema Versuchsaufbau Kabelprüfung<br />
An den vier Richtkopplerkanälen der SF6-Muffe war folgendes Oszillogramm zu<br />
messen:<br />
Abb. 8-2:Oszillogramm an der SF6-Muffe (Verschiedene Skalierung!)<br />
Die Kanäle B und C zeigten einen deutlichen Ausschlag, was auf einen Fehler<br />
innerhalb der Muffe schließen ließ. In den Grafen A und D sind zusätzlich die<br />
Reflexionen vom Endverschluss bzw. von der nächsten Muffe nach ca. 150ns<br />
zu erkennen, was der tatsächlichen Kabellänge von 15m entspricht. Eine<br />
genauere Auflösung des Signalaufschwingens zeigt Abb. 8-3.<br />
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Abb. 8-3: Zoom der Kanäle B und C<br />
Die auszumessende Laufzeitdifferenz von 10ns entspricht einer geometrischen<br />
Differenz von 2m, was bei einem Abstand der Richtkopplermitten von 3,20m zu<br />
einem Fehlerort im Abstand von 60cm vom linken Koppler führt.<br />
Nachdem das Silikonöl und das Kabelende aus der linken Seite der Muffe<br />
entfernt worden sind, zeigte sich eine mögliche Fehlerstelle im Aufbau. Im<br />
Bereich des berechneten Fehlerortes war eine fühlbare Rille zwischen einem<br />
Verbindungsflansch und dem Muffengehäuse. Es bestand die Möglichkeit, dass<br />
beim Befüllen der Kammer eine Gasblase zurückgeblieben ist, die TE<br />
verursacht hat. Nach einer erneuten Befüllung trat dieser Fehler nicht mehr auf.<br />
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8.2 Steckerversuch am IPH<br />
Am IPH wurde ein Stecksystem für 110kV-Kabelgarnituren geprüft. Dieses<br />
Stecksystem soll eine sichere Verbindung zwischen Hochspannungs-VPE-<br />
Kabeln und SF6-Anlagen gewährleisten.<br />
8.2.1 Versuchsaufbau<br />
Der Gesamtaufbau besteht aus einer Hochspannungseinführung, welche die<br />
Freiluftseite mit einer gekapselten SF6-Anlage verbindet. An diese Anlage sind<br />
vier Hochspannungskabelenden (zwei Kabelstücke, je ca. 25m) über das zu<br />
prüfende Stecksystem angeschlossen. Die weitere Verschaltung der Kabel<br />
ergibt sich aus den Anforderungen eines geschlossenen Heizkreises. Jeweils<br />
mittig auf den Kabeln ist zur Auskopplung von TE-Signalen ein Richtkoppler<br />
angebracht, der die klassische TE-Messung ergänzen soll.<br />
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Abb. 8-4: Versuchsaufbau am IPH Abb. 8-5: Versuchsaufbau<br />
(Schema)<br />
Um die mechanische Zugbelastung auf die Steckverbindungen im Betrieb<br />
nachzubilden, wurden acht Meter der Kabelstrecke senkrecht nach unten<br />
verlegt, wie es z. B. bei einer Tunnelverlegung mit ebenerdiger Einführung der<br />
Fall ist.<br />
Bei Spannungen über 90kV wurden TE im Aufbau festgestellt. Folgende<br />
Oszillogramme ergaben sich bei verschiedenen Prüfspannungen an den vier<br />
Ausgängen der Richtkopplersensoren (die Kanalnummerierung der<br />
Oszillogramme entspricht hierbei der Nummerierung der Richtkopplerausgänge<br />
aus Abb. 8-5):<br />
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Abb. 8-6: Oszillogramm der Richtkopplerausgänge bei 90kV Prüfspannung<br />
Abb. 8-7: Oszillogramm der Richtkopplerausgänge bei 120kV Prüfspannung<br />
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Die Oszillogramme zeigen ein Ansprechen der Richtkopplerausgänge 2 und 4,<br />
was auf einen Fehler im rechten Bereich des Aufbaus (s. Abb. 8-4) schließen<br />
lässt. Das nahezu zeitgleiche Aufschwingen der Grafen von Kanal 2 und Kanal<br />
4 deutet darauf hin, dass die TE-Quelle relativ mittig zwischen den<br />
entsprechenden Richtkopplerausgängen liegt, also im Bereich der SF6-Anlage<br />
und der Steckerverbindungen. Eine genauere Betrachtung der Kanäle 2 und 4<br />
zeigt jedoch eine geringfügige Zeitdifferenz von 5ns, was einer geometrischen<br />
Distanz von 1m entspricht, die das TE-Signal zum Ausgang 2 weniger<br />
zurücklegen muss. Wählt man nun die Mitte zwischen den Steckern 3 und 4 der<br />
SF6-Anlage als Symmetrieachse, so ergibt sich ein wahrscheinlicher Fehlerort<br />
im Steckerbereich von Anschluss 3 in einer Entfernung von ca. 0,5m von eben<br />
diesem Bezugspunkt.<br />
Mit dieser Abschätzung konnte die genaue Fehlerursache nicht eindeutig<br />
bestimmt werden, im Bereich des abgeschätzten Fehlerortes gab es drei<br />
mögliche TE-Quellen:<br />
Fehler in der SF6-Anlage:<br />
Innerhalb einer geschlossenen SF6-Anlage können freie Partikel zu TE<br />
führen. Diese führen zwar zu keiner grundlegenden Beeinflussung des<br />
Betriebsmittels, können aber zerstörerische TE in ihrer Nähe so<br />
überlagern, dass diese nicht aufzufinden und abzustellen sind.<br />
Fehler am Stecker:<br />
Im Steckerbereich scheinen viele TE-Quellen möglich. So kommen<br />
Montagefehler zwischen Kabel und Stecker in Frage, ebenso zwischen<br />
Stecker und Buchse. Stecker und Buchse selbst wurden beim Hersteller<br />
vorgeprüft und für TE-frei erklärt.<br />
Fehler an der äußeren Leitschicht:<br />
Beim Freilegen der äußeren Leitschicht zwischen Stecker und oberster<br />
Befestigungsschelle der Tragekonstruktion zwecks Aufbringens eines<br />
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Temperaturfühlers könnten beim Umgang mit Werkzeugen<br />
Beschädigungen aufgetreten sein.<br />
Zur genaueren Festlegung des Fehlerortes und damit zur Ermittlung der<br />
Fehlerursache war eine genauere Untersuchung der Signalausbreitung<br />
innerhalb des Versuchsaufbaus notwendig. Zur Simulation im Zeitbereich wurde<br />
der Aufbau in PSpice nachgebildet.<br />
8.2.2 Simulation<br />
Bei jeder mathematischen Beschreibung von Betriebsmitteln stellt sich die<br />
Frage nach dem Gültigkeitsbereich der Modelle. Da in diesem Fall die<br />
Ausbreitung des TE-Signals im Vordergrund stand, konnten viele<br />
Vereinfachungen bei der Nachbildung gemacht werden, die das<br />
Gesamtergebnis nur unwesentlich verfälschten. So wurden trotz eines<br />
komplexeren Aufbaus das Hochspannungskabel, die Einführungskerze und die<br />
SF6-Anlage als verlustlose Leitungen nachgebildet, der Richtkoppler als<br />
konzentrisches Element. Somit gingen Informationen über den genauen<br />
Zeitverlauf eines TE-Impulses verloren, die hier nicht im Vordergrund standen.<br />
Vielmehr sollte der Einfluss von Sprüngen im Wellenwiderstand an den<br />
Stoßstellen der Betriebsmittel, die verschiedenen<br />
Ausbreitungsgeschwindigkeiten sowie die kreisförmige Signalausbreitung<br />
innerhalb der Schleifen untersucht werden.<br />
8.2.2.1 Vorüberlegungen<br />
Das Hochspannungskabel wurde als verlustlose Leitung mit einem<br />
Wellenwiderstand von 30Ω nachgebildet. Zur Auskopplung von TE-Signalen<br />
muss diese aber durch ein π-Element unterbrochen werden, da hier die<br />
Koppelkapazitäten und Koppelinduktivitäten anzubringen sind.<br />
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an Hochspannungskabelgarnituren“ – <strong>Diplomarbeit</strong> an der TU-Berlin / IEE 1999<br />
Abb. 8-8: Nachbildung des Hochspannungskabels<br />
Dieser Eingriff verändert jedoch die Übertragungseigenschaften des Modells,<br />
der Frequenzgang wird jetzt durch das π-Glied bestimmt und berechnet sich zu:<br />
f g<br />
1<br />
= (Gl. 8-1)<br />
2π<br />
LC / 2<br />
Abb. 8-9: Tiefpassverhalten durch das π-Glied<br />
Das System zeigt nun Tiefpassverhalten mit einer ungefähren Grenzfrequenz<br />
von 8GHz bei –3dB (861mV).<br />
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Der Einfluss auf das gewählte TE-Signal (Anstiegszeit 500ps, Rückenzeit<br />
5,5ns) ist jedoch minimal, da der spektrale Energieanteil im Bereich der<br />
Grenzfrequenz des Kabelmodells nahezu Null ist (s. Abb. 8-10). Im Zeitbereich<br />
sind beide Impulsformen nicht zu unterscheiden (s. Abb. 8-11), das gewählte<br />
Leitungsmodell ist also gültig.<br />
Abb. 8-10: Frequenzanteile des TE-Impulses<br />
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Abb. 8-11: Impuls am Anfang und am Ende der Leitung<br />
Wie in Abb. 8-12 zu sehen wurde der Richtkoppler als konzentrisches Element<br />
eingefügt.<br />
Abb. 8-12: Nachbildung des Richtkopplers<br />
Hierbei wurde zwecks Vereinfachung von einer Beschreibung als<br />
Streifenleitung mit realistischen Kapazitäts- und Induktivitätswerten abgesehen,<br />
auch die Werte der Koppelimpedanzen wurden willkürlich auf den<br />
Frequenzbereich des Kabelmodells angepasst (s. Abb. 8-9).<br />
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Abb. 8-13: Frequenzgänge des Modells<br />
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Abb. 8-14: Signalverlauf im Zeitbereich<br />
Die Darstellung im Zeitbereich (s. Abb. 8-14) liefert die gewünschten<br />
Ergebnisse. Das TE-Signal wird an der signalzugewandten Seite ausgekoppelt,<br />
an der signalfernen jedoch nicht bzw. nur minimal.<br />
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8.2.2.2 Schaltung des Versuchsaufbaus<br />
Abb. 8-15: Schaltung Versuchsaufbau<br />
Auf Basis der Vorüberlegungen wurde nun der Gesamtaufbau simuliert. Der<br />
Aufbau (s. Abb. 8-15) zeigt die Einführungskerze T_Kerze, die in die zwei<br />
leitenden Verbindungen (Brücken) unterteilte SF6-Anlage T_Bruecke1 und<br />
T_Bruecke2 und die zwei Kabelstücke T_K11/2 bzw. T_K21/2, welche durch<br />
die Auskopplungs-π-Glieder unterbrochen sind. Die TE-Quelle wurde zwischen<br />
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der Brücke 2 und dem Kabelstück K12 eingefügt, was der Position von<br />
Stecker 3 aus Abb. 8-5 entspricht. Abb. 8-16 zeigt das simulierte Oszillogramm.<br />
Abb. 8-16: Simulationsplot TE an Stecker 3<br />
Abgesehen vom genauen Zeitverlauf der Einzelimpulse stimmt das<br />
Oszillogramm mit den gemessenen (s. Abb. 8-6 und Abb. 8-7) überein. Das TE-<br />
Signal breitet sich ausgehend von Stecker 3 in beide Richtungen aus und wird<br />
zuerst vom Richtkopplerkanal 2 detektiert, Kanal 4 registriert den Impuls<br />
aufgrund der zusätzlichen Wegstrecke durch die SF6-Anlage über Stecker 3<br />
und 4 etwas verspätet. Kanal 1 und 2 messen zu diesem Zeitpunkt lediglich ein<br />
kleineres Signal verursacht durch eine geringfügige Fehlanpassung des<br />
Kopplers.<br />
Der Impuls läuft nun einerseits von Richtkopplerkanal 1 zu Stecker 1,<br />
andererseits von Kanal 3 zu Stecker 2. Dort werden beide Teilsignale zum<br />
einen an der SF6-Anlage reflektiert, zum anderen durchdringen sich die<br />
Transmissionen und laufen nun über Kreuz erneut auf die Richtkopplerkanäle 1<br />
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und 3 zu. Ein weiterer Teil wird sowohl am Anfang, als auch am Ende der<br />
Einführungskerze reflektiert und überlagert sich zu den anderen Signalen.<br />
Durch Signaldispersion, Dämpfung, Mehrfachreflexionen und sich<br />
wiederholende TE-Pulse ist eine weitere Signalverfolgung unmöglich und nicht<br />
sinnvoll.<br />
Einen zusätzlichen Anhaltspunkt für die Gültigkeit des Simulationsmodells gab<br />
ein Vergleich von gemessenem und simuliertem Oszillogramm bei Einspeisung<br />
eines Kalibrierimpulses an der Einführungskerze (s. Abb. 8-17/8-18).<br />
Abb. 8-17: Simulation TE-Kalibrator an<br />
Einführungskerze<br />
Abb. 8-18: Messung TE-Kalibrator an<br />
Einführungskerze<br />
Hier ist deutlich das erwartete Ansprechen der Richtkopplerkanäle 1 und 3 zu<br />
erkennen. Die Kanäle 2 und 4 messen das Signal erst nach einem<br />
vollständigen Schleifendurchlauf, durch Dämpfung, Dispersion und Reflexionen<br />
verfälscht.<br />
Es wurde gezeigt, dass gerade mit Hilfe von Richtkopplern und mit Hilfe von<br />
Rechnersimulationen auch unübersichtliche Versuchsaufbauten untersucht<br />
werden können. Durch Variation des Fehlerorts innerhalb der Simulation<br />
konnten die gemessenen und simulierten Oszillogramme aufeinander<br />
abgestimmt werden. Basierend auf dieser Aussage wurde daraufhin Stecker 3<br />
demontiert und als Fehlerquelle eindeutig identifiziert. Im Bereich der Buchse<br />
innerhalb der SF6-Anlage war eine deutliche dunkle Ablagerung zu erkennen.<br />
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9 Schlussbetrachtung<br />
In Versuch und Simulation wurde gezeigt, dass die Richtschärfe eines Kopplers<br />
durch Anpassung mit ohmschen Widerständen verbessert werden kann. Der<br />
Grad der Verbesserung ist jedoch nicht so erheblich, dass eine generelle<br />
Verwendung von Parallelwiderständen empfohlen wird.<br />
Zur Verdeutlichung von elementaren Zusammenhängen wurde ein Modell<br />
innerhalb von PSpice in mehreren Schritten hergeleitet und dessen<br />
Gültigkeitsbereich aufgezeigt.<br />
Verschiedene TE-Kalibratoren wurden untersucht und auf ihre Tauglichkeit zur<br />
Kalibrierung von Richtkopplersensoren getestet.<br />
Für die Simulation mit PSpice wurde aufgezeigt, wir Impulsformen von realen<br />
TE-Kalibratoren Einzug in die Berechnungen finden.<br />
Es wurde gezeigt, wie eine nummerische Simulation eine industrielle Messung<br />
begleiten und ergänzen kann.<br />
9.1 Ausblick<br />
Ein exaktes Simulationsmodell für einen Richtkoppler konnte in PSpice nicht<br />
erstellt werden. Weiterführende Arbeiten könnten mit Hilfe einer Vollversion<br />
erfolgreich sein. Erst dann ist ein direkter Vergleich von Simulation und<br />
Messung möglich, bis dahin bleibt lediglich der Entwurf von Kopplern nach der<br />
Methode „Try & Error“ am vorgegebenen Kabel.<br />
Als Fernziel bleibt die Berechnung eines Richtkopplers ausgehend von den<br />
technischen Daten des entsprechenden Energiekabels, besonders der Einfluss<br />
der Leitschichten sollte weiter untersucht werden.<br />
Unabhängig davon bleibt das Problem der industriellen Fertigung der<br />
Richtkopplersensoren in größeren Mengen, vor allem mit integrierter PE-<br />
Schicht. Erst dann kann diese Messmethode Einzug in den betrieblichen<br />
Prüfablauf halten.<br />
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10 Anhang<br />
10.1 Quellcode TEK2TXT.EXE<br />
program punktpaare;<br />
uses wincrt, WinTypes, WinProcs, WinDos, Strings, FileDlgs;<br />
var lauf:integer;<br />
Zieldatei:array[1..20] of string;<br />
{***************************************************************<br />
************************}<br />
function quelldatei(nr:integer):string;<br />
begin<br />
quelldatei:=paramstr(nr);<br />
end;{quelldatei}<br />
{***************************************************************<br />
************************}<br />
function anz_parameter:integer;<br />
begin<br />
anz_parameter:=paramcount;<br />
end;{anz_p}<br />
{***************************************************************<br />
************************}<br />
function mindestens_ein_parameter:boolean;<br />
var hilf:boolean;<br />
begin<br />
hilf:=false;<br />
if anz_parameter>0 then hilf:=true;<br />
if anz_parameter>20 then hilf:=false;<br />
mindestens_ein_parameter:=hilf;<br />
end;{min}<br />
{***************************************************************<br />
************************}<br />
procedure falscher_aufruf;<br />
begin<br />
writeln('Bis zu 5 Quelldateien per <strong>Dr</strong>ag´n´<strong>Dr</strong>op auf das<br />
Programm ziehen...');<br />
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writeln('Die Punktpaare (*.csv) vom TEK werden so verändert,<br />
dass der');<br />
writeln('erste Zeitwert =0 wird. PSpice kann die<br />
Ergebnisdatei (*.txt)');<br />
writeln('dann als File-Quelle verwenden.');<br />
write('Enter drücken');<br />
readln;<br />
end;<br />
{*************************************************************}<br />
function File_Exists(FileName: String): Boolean;<br />
{ Boolean function that returns True if the file<br />
exists;otherwise,<br />
it returns False. Closes the file if it exists. }<br />
var<br />
F: file;<br />
begin<br />
{$I-}<br />
Assign(F, FileName);<br />
Reset(F);<br />
Close(F);<br />
{$I+}<br />
File_Exists := (IOResult = 0) and (FileName '');<br />
end; { File_Exists }<br />
{*************************************************************}<br />
procedure tek2pspice(nr:integer);<br />
var f1,f2:text;<br />
ziel,zeile,zeitstring:string;<br />
kommastelle,code:integer;<br />
zeit,offset:real;<br />
begin<br />
4);<br />
if file_exists(quelldatei(nr)) then<br />
begin<br />
ziel:=copy(quelldatei(nr),1,length(quelldatei(nr))-<br />
ziel:=ziel+'.txt';<br />
writeln(' Converting...');<br />
write(' ',quelldatei(nr),' zu ');<br />
assign(f1,quelldatei(nr));<br />
reset(f1);<br />
assign(f2,ziel);<br />
writeln(ziel);<br />
rewrite(f2);<br />
offset:=0;<br />
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while not eof(f1) do begin<br />
readln(f1,zeile);<br />
kommastelle:=pos(',',zeile);<br />
if kommastelle0 then begin<br />
{writeln('Kommastelle: ',kommastelle);}<br />
zeitstring:=copy(zeile,1,kommastelle-1);<br />
{ writeln('Zeitstring: ',zeitstring);}<br />
val(zeitstring,zeit,code);<br />
{writeln('Zeit: ',zeit);}<br />
if offset=0 then begin<br />
offset:=zeit;<br />
writeln('Offset gesetzt: ',offset);<br />
end;<br />
zeit:=zeit-offset;<br />
writeln(f2,zeit,copy(zeile,kommastelle,length(zeile)));<br />
end; {Conv}<br />
end;{0}<br />
end;{while}<br />
close(f1);<br />
close(f2);<br />
writeln;<br />
end; {file exists}<br />
writeln(' Erfolgreich !!!!!!!!!!!!');<br />
{***************************************************************<br />
**}<br />
begin {*** Hauptprogramm<br />
*****************************************}<br />
StrCopy(WindowTitle, '<strong>Kay</strong>´s TEK 2 PSpice Converter');<br />
if mindestens_ein_parameter then begin<br />
for lauf:=1 to anz_parameter do begin<br />
writeln(quelldatei(lauf));<br />
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tek2pspice(lauf);<br />
end;{lauf}<br />
writeln;<br />
writeln('Ergebnisdateien (*.txt) erfolgreich<br />
erstellt...');<br />
write('Enter drücken.....................');<br />
readln;<br />
for lauf:=1 to 50 do begin<br />
writeln;<br />
end;<br />
end else begin<br />
end;<br />
falscher_Aufruf;<br />
PostQuitMessage(0);<br />
{***************************************************************<br />
************************}<br />
end.<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 83
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10.2 Literatur<br />
[1] Skript zum EMV-Labor 1, <strong>Prof</strong>. Kalkner<br />
[2] Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Springer-Verlag, 1986<br />
[3] Skripte zur Vorlesung Hochfrequenztechnik 1, <strong>Prof</strong>. Petermann<br />
[4] Skripte zur Vorlesung Hochspannungstechnik, <strong>Prof</strong>. Kalkner<br />
[5] Hochspannungstechnik, Küchler, VDI-Verlag, 1996<br />
[6] Hochspannungstechnik, Hilgarth, Teubner-Verlag, Stuttgart<br />
[7] Eigenschaften von Energiekabeln und deren Messung, VWEW<br />
[8] Kabelhandbuch, VWEW, Frankfurt am Main, 1997<br />
[9] <strong>Diplomarbeit</strong> Zesche, 1998<br />
K. <strong>Rethmeier</strong> Seite 84