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Forschungsnachrichten der Abteilung 2
Rogowski-Spule mit numerischer Integration der Messdaten
Betriebsmittel für die Übertragung der elektrischen Energie vom Kraftwerk zum Verbraucher werden vor ihrer Inbetriebnahme einer Reihe aufwendiger Abnahmeprüfungen unterzogen. Hierzu gehören auch Kurzschlussprüfungen an Hochspannungsschaltern mit hohen Wechselströmen und Prüfungen an Spannungsableitern mit impulsförmigen Strömen, die als Stoßströme bezeichnet werden. Besonders kritisch ist die Messung von Kurzschlussströmen, die von einem exponentiell abfallenden Gleichstromanteil überlagert sind und Amplituden von mehreren 100 kA aufweisen können. Die traditionell hierfür verwendeten Messwiderstände haben sehr große Abmessungen und werden mitunter mit Wasser gekühlt, um die durch die Verlustleistung erzeugte Wärme zumindest teilweise abführen zu können.

Rogowski-Spulen eignen sich grundsätzlich sehr gut zur nahezu leistungslosen und rückwirkungsfreien Messung hoher Wechsel- und Stoßströme. Sie haben auf Grund ihres nichtmagnetischen Wickelkerns eine meist vernachlässigbar kleine Nichtlinearität, was u. a. den Vorteil hat, dass sie sich auch bei kleinen Stromstärken zuverlässig kalibrieren lassen. Trotz dieser Vorteile werden Rogowski-Spulen nur selten zur Messung von Kurzschlussströmen mit überlagertem Gleichanteil eingesetzt, da ihr Übertragungsverhalten zu niedrigen Frequenzen hin begrenzt ist. Die Ausgangsspannung der Rogowski-Spule ist der Ableitung des gemessenen Stromes proportional und muss daher zur Weiterverarbeitung integriert werden. Hierfür werden üblicherweise Integrationsverstärker eingesetzt, die jedoch einen zusätzlichen Beitrag zur Messunsicherheit verursachen und bei höheren Genauigkeitsansprüchen, insbesondere bei niedrigen Frequenzen, ein Mehrfaches der Rogowski-Spule kosten.

Als Alternative wurde daher der Einsatz eines numerischen Integrationsverfahrens auf der Grundlage der einfachen Trapezregel untersucht [1]. Simulationsrechnungen zeigen, dass der Integrationsfehler für die Amplitude und den Effektivwert einer Sinusschwingung bei mehr als 1000 Abtastwerten weniger als 0,1 % beträgt. Für die Untersuchungen wurde eine Rogowski-Spule mit einem Innendurchmesser von 26 cm eingesetzt, die aus zwei Hälften besteht und sich daher bequem um den Stromleiter klappen lässt. Die beiden Wicklungshälften wurden laut Herstellerangaben mit größter Sorgfalt und Präzision aufgebracht. Die eingehende Kalibrierung bei sinusförmigem Wechselstrom mit Netzfrequenz bestätigte die ausgezeichneten Eigenschaften der Rogowski-Spule. So ändert sich die Ausgangsspannung der Spule um weniger als 0,1 % bei unterschiedlicher Positionierung des Stromleiters und Rückleiters und die bis 10 kA gemessene Nichtlinearität beträgt maximal 0,1 %. Die untere 3-dB-Grenz-frequenz der untersuchten Rogowski-Spule, die vorwiegend zur Messung sehr hoher Wechselströme bei Netzfrequenz und deren Harmonischen ausgelegt ist, liegt entsprechend der Frequenzgangmessung deutlich unterhalb von 1 Hz, die obere Grenzfrequenz beträgt weit mehr als 100 kHz.

Das numerische Integrationsverfahren wurde für drei unterschiedliche Stromverläufe erprobt: unsymmetrischer Kurzschlussstrom mit überlagertem, exponentiell abfallendem Gleichanteil, Stoßstrom 8/20 (Stirnzeit 8 µs, Rückenhalbwertzeit 20 µs) und Sprungantwort der Rogowski-Spule selbst. Die Spulenausgangsspannung wurde zunächst mit einem Digitalrecorder oder Digitalvoltmeter im Abtastmodus aufgezeichnet und anschließend als digitaler Datensatz dem PC zur numerischen Integration zugeführt. Die Ansteuerung der verschiedenen Stromerzeuger und Messgeräte sowie die Verarbeitung der Messdaten einschließlich der numerischen Integration erfolgten mit Hilfe der Software LabVIEW. Zur Überprüfung des numerischen Integrationsverfahrens wurden die Stromverläufe auch durch Vergleichsmessung mit einem breitbandigen Koaxialshunt ermittelt.

Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass die numerische Integration der Ausgangsspannung von Rogowski-Spulen ein einfaches, genaues und kostengünstiges Verfahren bei der Messung von Strömen darstellt und sich sehr gut als Alternative zu elektronischen Integrationsverstärkern anbietet. Die technische Realisierung dieses Verfahrens stellt auf Grund der hohen Abtastrate, Bandbreite und Amplitudenauflösung der auf dem Markt angebotenen Digitalvoltmeter und Digitalrecorder in Verbindung mit der großen Rechenleistung des PC kein Problem dar. Mit der Rogowski-Spule und dem numerischen Integrationsverfahren lassen sich selbst niederfrequente Stromverläufe, wie sie bei unsymmetrischen Kurzschlussströmen auftreten können, noch sehr gut erfassen. Damit ist auch eine Alternative zum Einsatz voluminöser Messwiderstände gegeben, die zudem den Vorteil der Potentialtrennung vom Hochstromkreis bietet und die in der zukünftigen IEC-Prüfvorschrift für Hochstrommessungen festgelegten Grenzwerte für die Messunsicherheit deutlich unterschreitet.

Referenz:
[1] Schon, K., Schuppel, A.: Precision Rogowski coil used with numerical integration. Konferenzbeitrag zum 15. ISH in Ljubljana, 27.-31.08.2007, Beitrag T10-130

Ansprechpartner: K. Schon
Fachbereich: 2.3
E-Mail: Klaus Schon


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Erstellt am: 05.12.2007, letzte Änderung: 12.3.2008,Susanne Gruber