05.12.2019
Elektrische Energie bzw. Arbeit ist ein wichtiges Wirtschaftsgut. Da die Messung der Energie als Grundlage für Abrechnungen verwendet wird, unterliegen die Messeinrichtungen sehr hohen Zuverlässigkeitsanforderungen. Mit dem neu aufgebauten Prüfstand soll eine Möglichkeit geschaffen werden, elektronische Elektrizitätszähler auf ihre korrekte Arbeitsweise bei nicht-sinusförmigen Stromsignalen zu überprüfen.
Mechanische Induktionsmotorzähler werden zunehmend durch elektronische Elektrizitätszähler ersetzt, und an immer mehr Messpunkten werden intelligente Messysteme installiert. Voraussetzungen für den Einsatz solcher Messsysteme sind Sicherheit, Zuverlässigkeit und Messbeständigkeit. Nur so ist sichergestellt, dass die für Abrechnungszwecke zulässigen Abweichungen in der Bestimmung der Energiemenge eingehalten werden. Insbesondere in Verbindung mit dezentralen Einspeiseeinrichtungen oder Verbrauchseinrichtungen mit leistungselektronischen Komponenten ist eine zunehmende Skepsis an der Messbeständigkeit von modernen Messeinrichtungen zu verzeichnen.
In der PTB wurde nun ein Messplatz zur Untersuchung der Messeinrichtungen aufgebaut, mit dem unter anderem elektronische Energiezähler hinsichtlich der Störfestigkeit von leitungsgekoppelten Störungen untersucht werden, wie sie auch durch hohe Stromänderungen z. B. bei Anschnittssteuerungen oder Thyristorschaltern verursacht werden. Anders als bei dem typischen Zählerprüfplatz wird bei diesem Messplatz die Realleistung als Basis für die Prüfung verwendet, sodass Strom- und Spannungspfad technisch nicht mehr voneinander getrennt werden. Der Labormessplatz besteht aus einem Schaltschrank, in dem die zu testenden Elektrizitätszähler, Vergleichszähler und die Stromwandler für den angeschlossenen Messrechner integriert sind, wie in Bild 1 (Rahmen a) gezeigt. Der Messplatz verfügt über drei elektronische Lasten zur Erzeugung der Prüfleistungen. Diese ermöglichen es, beliebige Stromverläufe einschließlich hoher Stromsteilheiten von größer 3 A/µs zu erzeugen. Die elektronischen Lasten können über den Messrechner konfiguriert werden. Jede Last kann eine Leistung von maximal 5600 W bzw. einen Spitzenstrom von 40 A aufnehmen. Bei Bedarf, z.B. zur Erzeugung größerer Ströme auf einer Phase oder zur Erzeugung größerer Stromsteilheiten, ist es möglich, mehrere Lasten parallel zu schalten.
Bild 1: Labor mit elektronisch steuerbaren Lasten und Referenzmesssystem
Zur Prüfung des aufgebauten Messsystems auf eine angemessene Genauigkeit bei nicht-sinusförmigen Stromsignalen (wie z. B. einem Phasenanschnitt mit einer hohen Stromsteilheit) wurde ein 150 kHz-Normal herangezogen. Der schematische Aufbau dieses Normal ist in Bild 2 dargestellt. Ebenso wurden einige ausgewählte elektronische Energiezähler mit Hilfe einer Phantomleistung direkt an diesem Normal auf ihre Störfestigkeit bei unterschiedlichen Kombinationen von Harmonischen überprüft. Der Spannungspfad besteht zum einen aus der Signalerzeugung und zum anderen aus der Signalerfassung (Bild 2). Bei der Signalerzeugung dient als Ausgangspunkt ein Digital-Analog-Wandler mit einer Auflösung von 16 Bit. Für den Spannungspfad wird das ausgegebene Signal von einem breitbandigen Spannungsverstärker verstärkt und die Prüflinge damit versorgt. Die Spannungsmessung wird mit Hilfe eines eingemessenen Spannungsteilers und anschließender A/D-Wandlung der Mess- und Steuersoftware zurückgemeldet. Der Strompfad ist mit Hilfe eines Transkonduktanzverstärkers analog zu dem Spannungspfad aufgebaut. Die vom Stromverstärker abgegebene Stromstärke wird mit Hilfe eines Shunts erfasst und ebenfalls nach einer A/D-Wandlung der Mess- und Steuersoftware zurückgemeldet.
Bild 2: Blockschaltbild des Hochfrequenzleistungsnormals bis 150 kHz der PTB
Der Vergleich der beiden Messeinrichtungen wurde mit einem transportablen Präzisionsleistungsmessgerät durchgeführt. Mit Hilfe verschiedener Vergleichsmessungen und einer Unsicherheitsabschätzung des Hochfrequenznormals konnte eine zufriedenstellende Messunsicherheit für die Überprüfung von üblichen elektronischen Energiezählern an dem Messplatz nachgewiesen werden.