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Absolutbestimmung des Verlustfaktors von Kondensatoren und der Zeitkonstante von Widerständen mittels Multifrequenz-Methode

18.02.2005

In der elektrischen Energiemesstechnik dienen Verlustfaktormessungen zur Beurteilung der Qualität (minimale Erwärmung durch Verluste, lange Lebensdauer, höchstmögliche Sicherheit) von Hochspannungsgeräten wie Kondensatoren, Transformatoren, Isolatoren und Kabeln. Dafür werden Verlustfaktor-Messgeräte sowie hochwertige Kondensatoren als Normale mit möglichst kleinen und bekannten Verlustfaktoren benötigt.

Zur gleichzeitigen Bestimmung des Verlustfaktors tan δ  von Kondensatoren und der Zeitkonstante τ  von Widerständen wurde eine neuartige Multifrequenz-Methode entwickelt. Sie basiert auf der Messung des Impedanzverhältnisses von Kondensator und Widerstand bei zwei oder mehreren Frequenzen. Aus einer programmierbaren Doppel-Wechselspannungsquelle und den zu vergleichenden Impedanzen wird eine Messbrücke aufgebaut (s. Bild) und das Impedanzverhältnis wird durch ein synchrones Abtastverfahren und Anwendung der diskreten Fourier-Transformation ermittelt. Aus mehreren Messungen bei unterschiedlichen Frequenzen lassen sich Verlustfaktor und Zeitkonstante bestimmen.

Im Experiment wurde ein hochwertiger, gasgefüllter 1-nF-Kondensator vom Typ GR 1404-A mit einem stabilen 1-MΩ-Widerstand (PTB-Eigenbau) bei 12 Frequenzen zwischen 31 Hz und 666 Hz verglichen. Für Verlustfaktor und Zeitkonstante ergaben sich folgende, mittels Ausgleichsrechnung berechnete Messergebnisse und Messunsicherheiten (k = 2): tan δ  = (0,9 ± 1,2) · 10-6  und  τ  = (-4,0 ± 0,8) ns. Mit dieser Methode können zukünftig Verlustfaktoren von 1-nF-Kondensatoren bei Frequenzen zwischen 50 Hz und 1 kHz mit Messunsicherheiten um 2 · 10-6 kalibriert werden.


Prinzip der Multifrequenz-Methode. Kondensator und Widerstand bilden zusammen mit der Doppel-Wechselspannungsquelle eine Brücke. Das Abtastsystem ermittelt bei verschiedenen Frequenzen das Impedanzverhältnis ZC / ZR und daraus den Verlustfaktor tan δ  und die Zeitkonstante τ.