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Breitbandige Referenzstromwandler für “FutureGrid II“

05.12.2019

In der elektrischen Energieversorgung wird in den wichtigen Knotenpunkten des Übertragungsnetzes - den Hochspannungsstationen - zukünftig digitale Messtechnik eingesetzt. Die Sekundärsignale der eingesetzten Spannungs- und Stromwandler werden dabei digitalisiert und zeitgestempelt zu den ebenfalls digital arbeitenden Messgeräten übertragen. Hierzu wurde das europäische Metrologieforschungsprojekt „Metrology for the next-generation digital substation instrumentation” mit Laufzeit von 2018 – 2021 bewilligt. Von der PTB koordiniert, werden zusammen mit anderen europäischen Metrologieinstituten und Forschungseinrichtungen die technischen Arbeitspakete hierzu bearbeitet.

 

 

Zu den Arbeitsinhalten der PTB gehört der Aufbau eines Messplatzes für die Rückführung digitaler Stromwandler für Stromstärken bis 2 kA. Dabei sollen nicht nur stationäre 50 Hz-Signale, sondern auch Messungen mit einer Bandbreite von bis zu 9 kHz möglich sein, um gezielt Störungen und Verzerrungen nachzubilden. Hierfür werden zunächst einmal Referenzstromwandler benötigt, die sowohl den Stromstärkebereich, aber auch den Frequenzbereich abdecken können. Zu diesem Zweck wurden vier Stromwandler mit Stromstärken von 60 A, 200 A, 600 A und 2 kA beschafft und mit verschiedenen, jedoch symmetrisch angeordneten Primärwicklungen versehen. In Bild 1 ist beispielhaft die Anordnung der Primärleiter und der realisierte Aufbau für den 60 A-Wandler dargestellt.

 

Links: Schematischer Aufbau eines breitbandigen Stromwandlers. Rechts: Realisierter Aufbau

Bild 1: Links: Schematischer Aufbau eines breitbandigen Stromwandlers mit nachträglich aufgebrachten symmetrisch angeordneten Primärwicklungen mit N = 1 bis  N = 6 Windungen. Rechts: Fotografie des realisierten Aufbaus.


Für das Erreichen einer besonders guten Symmetrie wurden die Stützen, Leiterführungen und Anschlussgehäuse der Wandler mithilfe eines 3D-Druckers hergestellt. Die Wandler selbst weisen sehr geringe Messabweichungen von unter 50 µA/A bei 50 Hz und eine sehr hohe Kleinsignalbandbreite von weit über 100 kHz auf. Die symmetrischen Primärwicklungen lassen sich nun mit Brücken in geeigneter Weise in Reihe oder parallel schalten, sodass sich Windungszahlen von N = 1 bis N = 6 ergeben. Damit lassen sich verschiedene primärseitige Bemessungsströme Ipn / N unter Beibehaltung des sekundären Bemessungsstromes Isn realisieren. Die hohe Symmetrie der Primärleiter bewirkt, dass das magnetische Feld der Leiteranordnung bei gleicher Durchflutung I N in allen Strombereichen faktisch identisch ist und damit auch die sich ergebenden Messabweichungen frequenzabhängig gleich sind. Diese günstige Eigenschaft lässt sich für die Rückführung aller vier Stromwandler mittels eines Kletterverfahrens, insbesondere für die Frequenzgänge nach Betrag und Phase ausnutzen. Mithilfe geeigneter Messwiderstände (nicht im Bild gezeigt) wird dann der Sekundärstrom in eine Spannung für die synchronisierten Messgeräte des Digitalwandler-Messplatzes konvertiert.

Bei Abschluss des Projektes in 2021 soll es dann bislang nicht verfügbare neue Kalibriermethoden geben, um der Industrie die benötigte Rückführung anzubieten. Dies soll nicht zuletzt auch die Akzeptanz der neuen digitalen Messtechnik in der elektrischen Energieversorgung fördern. Aber auch für ganz andere Anwendungsfälle, beispielsweise für die Wirkungsgradmessung, sind breitbandige Rückführungen von Stromwandlern bei höheren Strömen (> 100 A) zunehmend von Interesse. Mit den neuen Stromwandlern werden dann erstmalig solche Messplätze und Kalibrierservices möglich.