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Erweiterte Kalibriermöglichkeiten bei Wechselstromstärken bis 100 A und 100 kHz

30.12.2005

Wechselstrom-Gleichstromstärke-Transfernormale bestehen aus Strommesswiderständen (Shunts) mit nachgeschalteten Thermokonvertern. In der PTB werden dafür planare Vielfachthermokonverter verwendet, die sich durch eine hohe Ausgangsspannung und einen großen Dynamikbereich auszeichnen. Ihre Transferdifferenzen betragen im Frequenzbereich von 10 Hz bis 100 kHz nur wenige 10-6, und die Abhängigkeit von der Messstromstärke ist vernachlässigbar gering. Die verwendeten Shunts sind für hohe Frequenzen optimiert.

Die Kalibrierung von Wechselstrom-Gleichstromstärke-Transfernormalen für höhere Stromstärken erfolgt ausgehend von einem berechenbaren Vielfachthermokonverter [1] für 10 mA bis 30 mA durch Aufbaumessungen. Dabei wird das Normal für die nächst höhere Nennstromstärke bei 10 % bis 30 % seiner Nennstromstärke gegen das entsprechende Normal eingemessen. Voraussetzung für das Aufbauverfahren ist die Unabhängigkeit der Transferdifferenz von der Stromstärke. Für die bisher vorhandenen Normale bis zu 20 A ist diese Unabhängigkeit durch den konstruktiven Aufbau der Shunts gegeben.

In den neuen Shunts bis 100 A nimmt die Joulesche Wärme erheblich zu, und die Transferdifferenzen der Shunts ändern sich bei Frequenzen über einige kHz mit dem Erwärmungszustand. Damit ist die genannte Voraussetzung für das Aufbauverfahren nicht mehr gegeben. Vielmehr muss die Stromabhängigkeit der Transferdifferenzen bestimmt und anschließend korrigiert werden.

Die geforderte Stromunabhängigkeit konnte mit einem speziellen 1:100 Stromwandler und einem nachgeschalteten 1-A-Shunt erzielt werden. Bild 1 zeigt den prinzipiellen Messaufbau: Das zu untersuchende Normal X besteht aus dem Shunt RX und dem als Spannungsmesser eingesetzten Vielfachthermokonverter VX. Dieser wird mit der Primärwicklung des Stromwandlers CT in Reihe geschaltet und von der Stromquelle Iac mit Strömen unterschiedlicher Frequenz beaufschlagt. Die Bürde des Stromwandlers ist ein bekanntes Stromstärke-Transfernormal N für 1 A, bestehend aus dem Shunt RN und dem Vielfachthermokonverter VN.

Der Stromwandler ist mit seiner Kerngröße für eine Stromstärke von 100 A bei Frequenzen von 1 kHz bis 100 kHz ausgelegt. Die Primärwicklung mit einer Windung besteht lediglich aus einem durch einen Ringkern geführten Leiter. Die Sekundärwicklung mit 100 Windungen ist einlagig aufgebracht, um eine geringe Wicklungskapazität zu erreichen. Bild 2 zeigt ein Foto des Stromwandlers und der zugehörigen Steckverbinder.

Das genaue Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers ist dabei nicht von Bedeutung, lediglich die Änderungen mit der Aussteuerung, d.h. mit der Messstromstärke, müssen ermittelt werden. Diese werden im Wesentlichen von der Änderung der Hauptinduktivität und der sekundären Streuinduktivität des Stromwandlers bestimmt. Beide Größen wurden durch Messungen auf der Sekundärseite, d. h. mit kleinen Stromstärken, bei unterschiedlicher Aussteuerung bestimmt. Da ein Betrieb des Stromwandlers mit Gleichstrom nicht möglich ist, wurden die Transferdifferenzen auf 1 kHz bezogen. Wie oben erläutert, ist die Stromstärkeabhängigkeit der untersuchten Shunts bei 1 kHz vernachlässigbar klein.

Für Frequenzen von 1 kHz bis 100 kHz ändert sich das Übersetzungsverhältnis bei Änderung der Stromstärke von 10:1 um weniger als 25•10-6.

Untersucht wurden vier Transfernormale mit Hochstromshunts für Nennstromstärken von 30 A, 50 A, 80 A und 100 A. Die Stromstärkeabhängigkeiten bei 50 kHz waren kleiner als 50•10-6 und bei 100 kHz kleiner als 200•10-6. Die erweiterte (k = 2) Messunsicherheit für die Stromabhängigkeit wurde zu 60•10-6 abgeschätzt.


Bild 1: Messaufbau zur Bestimmung der Stromstärkeabhängigkeit von Wechselstrom-Gleichstromstärke-Transfernormalen für hohe Stromstärken bei hohen Frequenzen


Bild 2: Stromwandler für 100 A. Links im Bild ist die Steckverbindung für den Primärstrom (1), rechts daneben der Ringkern mit der einlagigen Sekundärwicklung (2) zu sehen. Die Primärwicklung wird durch Verbinden der beiden zentralen Bolzen (3) im Stecker und im Ringkern mit einer Kupferlasche hergestellt. Rechts oben befindet sich die sekundäre Steckverbindung (4).