Hardware, Software und Kalibrierung von Digital-Recordern für Stoßspannung

W.Strauss - T.Steiner - B. Kidalka

Inhalt:

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Zusammenfassung

Die Entwicklung spezieller Digitalrecorder optimiert auf die besonderen Anforderungen bei Hochspannung bietet Vorteile hinsichtlich höherer Bandbreite und Abtastrate sowie weniger Rauschen und Störbeeinflussung. Der modulare Aufbau erlaubt einfache Erweiterungen und Service.

Die Eignung eines Digitalrecorders für Stoßprüfungen ist in einem "Eignungstest" nachzuweisen.

Die Akkreditierung eines Prüflabors für volle und abgeschnittene Stoßspannung erfordert einen Referenzspannungsteiler und einen Digitalrecorder mit 100 MS/s Abtastrate und 10 Bit Auflösung.

Die Auswertesoftware muß die Parameter für alle Impulsformen gegebenenfalls durch Berechnung einer Mittelkurve automatisch ermitteln und die Eignung nach IEC 1083-2 nachweisen.

Kalibrierungen handelsüblicher Digitalrecorder ohne Auswertesoftware sind nach IEC 1083-1 nicht möglich.

Für die Berechnung der Transferfunktion werden Fenster- und Dämpfungsfunktionen mit einstellbaren Parametern benötigt. Die Berechnung der Kohärenzfunktion und der Impulsantwort ergibt zusätzliche Informationen zur Prüfung.

Die Kalibrierung von Digitalrecorder und Prüfkreis nach IEC 1083-1 und IEC 60-2 kann im Prüffeld automatisch und zeitsparend auch als tägliche Kontrollmessung durchgeführt werden.

Das DKD-Kalibrierlaboratorium für Impulsmessung hat in den 3 Jahren seit Gründung etwa 100 Kalibrierungen von Digitalrecordern und Impulskalibratoren durchgeführt, die vielen Anwendern in der ganzen Welt als Basis für die eigene Qualitätssicherung im Prüffeld dienen.

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1 Digital-Recorder für Stoßspannung

Bei den aktuell auf dem Markt angebotenen Digital-Recordern für Stoßspannungs-Prüfungen sind zwei unterschiedliche Lösungsmethoden erkennbar:

1. Entwicklung spezieller Digitalrecorder, optimiert auf die besonderen Anforderungen bei Hochspannung

2. Einsatz handelsüblicher Digitalrecorder, adaptiert mittels geschirmter Gehäuse auf die besonderen Anforderungen bei Hochspannung

1.1 Anforderungen nach IEC 1083-1
Die Anforderungen an Digitalrecorder müssen in Form eines Eignungstests nachgewiesen werden.

Für den beschriebenen Digitalrecorder TR-AS 100-10 wurde dieser Nachweis in Form einer Typenprüfung erbracht /10/. Für die Auswahl eines Digitalrecorders für Stoßprüfungen sind neben vielen anderen insbesonders die folgende Kriterien zu beachten. Nach Punkt 2.1 "accuracy requirements for impulse measurements" darf die Meßunsicherheit des Digitalrecorders die folgenden Grenzwerte nicht übersteigen:

 Gebrauchs-System
Grenzwerte		    Referenz-System
TR-AS 100-10
Scheitelwert 2%    1%
Zeitparameter 4%    2%
Um innerhalb dieser Grenzen zu bleiben, sollen die in IEC 1083-1, Punkt 2.1.2 angegebenen individuellen Unsicherheiten eingehalten werden. Einige dieser Unsicherheiten sind sehr wichtig für die Genauigkeit bei der Messung und der Diagnose als auch für die Einhaltung zukünftiger Standards und werden im folgenden exemplarisch diskutiert:

Abtastrate und Meßintervall: fs > = 30/Tx
LI 1.2/50 Grenzwerte TR-AS 100-8/-10
Tx=0.84*0.6=0.5µs 60 MS/s 100 MS/s
LIC: Tc=0.5µs
Tx=0.5*0.6=0.3µs 100 MS/s 100 MS/s
Abtastrate und Linearität < = 2% im Meßintervall
LI, LIC: Tx=0.5µs Grenzwerte TR-AS 100-8/-10
0.02*Tx=10ns 100 MS/s 100 MS/s
Anstiegszeit und Meßintervall: Tr < = 0.03*Tx
LIC: Tc=0.5µs Grenzwerte TR-AS 100-8/-10
Tx=0.3µs 9ns 7ns

Steilstoß kann nach diesem Kriterium bis Tc=0,38 s gemessen werden, in der Praxis werden gute Genauigkeiten bis unter Tc=100 ns erreicht (siehe Bild 3.2.2). Weitere Kriterien für Digitalrecorder sind in /18/ beschrieben.

1.2 Akkreditierung für abgeschnittene Stoßspannung
Die Einhaltung aller angegebenen Unsicherheiten ist nicht zwingend vorgeschrieben, werden jedoch die Grenzen einzelner Unsicherheiten nicht eingehalten, so ist eine Akkreditierung für diesen Teil zumeist nicht möglich. Liegt beispielsweise die Abtastrate eines Digitalrecorders unter 100 MS/s, so ist die Akkreditierung eines Prüffeldes voraussichtlich nur für volle Stoßspannung, nicht jedoch für abgeschnittene Stoßspannung möglich. Weitere Ausführungen siehe unter "Referenz-Meßsysteme".

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2 Digital-Recorder speziell für Stoßspannung

Die digitalen Stoßspannungs-Meßsysteme TR-AS 25-8, 100-8 und 100-10 wurden auf der Grundlage der IEC-60 Empfehlungen für den Einsatz in Prüffeldern und Labors mit großen elektromagnetischen Störfeldern entwickelt und können deshalb im Hochspannungsprüffeld zumeist ohne zusätzliche Meßkabine auch bei der Prüfung von Vakuum- und SF6-Isolierungen eingesetzt werden.

2.1 Design optimiert für Hochspannungs-Prüfungen
Der Meßeinschub besteht aus einem allseitig geschirmten, EMV-gerechten Gehäuse mit hoher Dämpfung. Er beinhaltet in gegeneinander abgeschirmten Abteilen die Meßelektronik und den Rechner, welche über ein Interfacekabel verbunden sind. Das in einen Steckplatz des Rechners eingesetzte Interface ist so konstruiert, daß die Adress-, Daten- und Steuersignale des Rechners an der BUS-Rückwand des Meßsystems zur Verfügung stehen und eine direkte Steuerung ohne zusätzliches Datenaustauschprotokoll möglich ist /5/7/10/. Der Meßeinschub wird zusammen mit weiteren Einschüben für Monitor, Tastatur und Drucker in einen EMV-gerechten Meßschrank oder ein Meßpult in 19"-Technik eingebaut.

PIC211
Bild 2.1.1: Meßeinschub

Durch den integrierten und direkt gekoppelten Steuer- und Auswerterechner, einen AT-kompatiblen Personal Computer, konnten die Probleme der elektromagnetischen Beeinflussung gelöst werden. Der direkte Zugriff des Rechners sowohl auf die zu programmierenden Register des Transienten-Recorders als auch auf die erfaßten Meßdaten minimiert die Zugriffszeiten auch bei mehrkanaligen Systemen mit großen Speichertiefen, wodurch die Zeiten für Auswertung und Speicherung der Meßdaten erheblich verkürzt werden. Es ergeben sich deutliche Geschwindigkeitsvorteile z.B. bei der Berechnung von Mittelkurven und Transferfunktionen mittels FFT.

2.2 Meßkanäle: modular aufgebaut
Die einzelnen Meßkanäle bestehen aus
  Tei  Eingangsteiler   Ver  Meßverstärker
  A/D  A/D-Konverter   MEM  Meßwertspeicher
und sind unabhängig voneinander aufgebaut, sodaß eine anwendungsbezogene Bestückung von 1 - 4 Meßkanäle möglich ist (optional bis 16 Kanäle).

Der 1600 V Eingangsteiler als kritisches Element ist für hohe Übertragungsgüte und Stabilität konzipiert /20/ und beinhaltet einen mit 7 kV Scheitelwert geprüften Überspannungsschutz. Die analoge Bandbreite und die Anstiegszeit des Eingangsteilers und des Direkteinganges des Digitalrecorder konnte weiter verbessert werden und beträgt nun > 75 MHz bzw. < 5 ns, die analoge Bandbreite und die Anstiegszeit über beide Komponenten beträgt somit > 50 MHz bzw. < 7 ns.

Der vollständig programmierbare Meßverstärker hat 24 Stufen, die eine sehr feine Anpassung in 80 % - Schritten entsprechend einem Faktor von ca. 1.26 an die jeweils zu messende Spannungsamplitude ermöglicht. Hierdurch können über den Eingangsteiler Signalamplituden von 1600 V bis 8 V und über den direkten Eingang von 10 V bis 50 mV mit einer großen Aussteuerung gemessen werden.

Der Direkteingang eignet sich besonders für Messungen der Sprungantwort mit Repetitiv-Sampling bis 5 GS/s Abtastrate mit TR-AS 100-10 und Auswertung nach der Parametermethode gemäß IEC 60.

Die EMV-orientierte Ausführungsform der Wandler- und Speicherkarte bestimmt neben der Abtastrate und der Auflösung die Gesamteigenschaften des Digitalrecorders hinsichtlich Rauschen, Welligkeit und Interferenzen. Die digitalen Stoßspannungs-Meßsysteme TR-AS können deshalb im Hochspannungs-Prüffeld zumeist ohne zusätzliche Meßkabine auch bei der Prüfung von Vakuum- und SF6-Isolierungen eingesetzt werden /10/.

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3 Software für Stoßspannungsprüfung

Moderne Software für Stoßspannungsprüfung beinhaltet heute Programm-Module für:

  • Bedienung menügeführt, mehrsprachig
  • WINDOWS®-Oberfläche
  • Eingabe der Prüflingsdaten
  • Steuerung des Digitalrecorders
  • Steuerung des Stoßgenerators
  • Prüfablauf wählbar/ anpassbar
  • Auswertung automatisch
  • Auswertungsart selektierbar
  • Auswertung geprüft nach IEC 1083-2
  • Mathematische Operationen
  • Diagnosemethoden, z.B. Transferfunktion
  • virtuelle Kanäle für Ergebniskurven
  • Kalibrierung des Recorders (IEC 1083)
  • Kalibrierung des Stoßteilers (IEC 60)
  • Protokollerstellung flexibel, mehrsprachig
  • Prüfdaten in EXCEL®-Datenbankformat
  • Arbeitsplatz-Version verfügbar
  • EXCEL®-Makros für Statistik

3.1 Steuer- und Grafiksoftware
Die menügeführte Bedienung, Funktionstasten mit kundenspezifisch vorprogrammierten Prüfsequenzen sowie das Laden vordefinierter Einstelldateien von der Festplatte für die jeweilige Prüfung gestatten einen schnellen und fehlerfreien Prüfablauf. Die Meßbereiche der einzelnen Meßkanäle werden unter Berücksichtigung der jeweiligen Teiler und Meßshunts angezeigt und können mit frei eingebbaren Dimensionen wie z.B. kV, kA usw. versehen werden. Bei der Einstellung der voneinander unabhängigen Zeitbasen und des Triggerzeitpunktes wird automatisch das Aufzeichnungsintervall und die Zeitbereiche vor und nach dem Triggerzeitpunkt berechnet und in s oder ms angezeigt. Für Transformatorprüfungen stehen spezielle Eingabemasken zur Erfassung der Prüflings- und Stoßkreisdaten zur Verfügung, welche in die Protokollierung übernommen werden.

Für die grafische Darstellung und Auswertung stehen neben den üblicherweise 1 bis 4 physikalischen Meßkanälen bis zu 32 virtuelle Auswertekanäle zur Darstellung z.B. von Ergebniskurven aus mathematischen Operationen zur Verfügung.

Die Installation einer Arbeitsplatzversion auf einem beliebigen AT-PC gestattet beliebiges Nachbearbeiten gespeicherter Meßkurven und statistische Auswertung mittels EXCEL®.

3.2 Standard-Auswertesoftware
3.2.1 Berechnung der Stoßparameter
Für die Berechnung der Stoßparameter von genormten Stoßspannungen ist ein Auswerteprogramm gemäß IEC 60 implementiert, welches für die genormten Impulsformen Blitzstoß, Schaltstoß, schwingende Spannungen und Stoßstrom die entsprechenden Kennwerte automatisch ermittelt. Bei Blitzstoß wird z.B. der Scheitelwert, die Stirnzeit und Rückenhalbwertzeit und bei abgeschnittenen Spannungen die Abschneidezeit ermittelt.

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Bild 3.2.2: Prüfung eines Isolators mit Steilstoß

Mit einer Stirnzeit von T1 = 0,061 s und einem Scheitelwert von Us = 306 kV ergibt sich eine Steilheit von S = Us/T1 = 5016 kV/ s, die Abschneidezeit wurde mit Tc = 0,103 s ermittelt.

Die Berechnungen erfolgen automatisch nach jedem Prüfstoß, wobei die Ergebnisse am Bildschirm zusammen mit den Meßkurven dargestellt werden können. Das Amplitudenraster kann bezogen auf den Meßbereich oder dynamisch auf Nulllinie und Scheitelwert der Stoßspannung normiert dargestellt werden. Wahlweise kann die Stirngerade, der ermittelte Rückenzeitpunkt oder der Abschneidezeitpunkt sowie ein auf den Nennbeginn normiertes Zeitraster eingeblendet werden. Die Aktivierung erfolgt mit Hilfe eines Auswerteselektors.

3.2.3 Berechnung der Mittelkurve
Die Bestimmung der Mittelkurve zur Berücksichtigung von Überschwingen und Oszillationen kann mit Hilfe eines Auswerteselektors aktiviert werden und erfolgt dann automatisch für volle und abgeschnittene Stoßspannung, siehe die folgenden Bilder.

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Bild 3.2.4: Mittelkurve voller Stoß

Die Zeitdauer des Überschwingens und die Frequenz der Oszillationen werden ermittelt und davon abhängig eine Korrektur des Scheitelwertes gemäß IEC 60 um den ermittelten Wert Beta vorgenommen /16/. Die berechnete Mittelkurve kann in einem virtuellen Auswertekanal dargestellt werden. Die Ermittlung der Mittelkurve für abgeschnittene Stoßspannung berücksichtigt automatisch die unterschiedlich zu behandelnden Fälle Stirn-, Scheitel- und Rückendurchschlag.

Spannungsverläufe mit starken Abweichungen von der Nennform können zusätzlich per Hand am Bildschirm durch interaktives Eingeben der Auswertepunkte ausgewertet werden /16/.

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Bild 3.2.5: Mittelkurve abgeschnittener Stoß

3.3 Spezielle Software für Trafoprüfung
Bei der Prüfung großer Transformatoren werden heute Diagnosemethoden wie z.B. Differenzbildung von Spannungs- und Stromkurven und die Berechnung der Transferfunktion im Frequenzbereich eingesetzt und werden von der TRAS- Software auf einfache Weise unterstützt. Aktuell aufgezeichnete und von Festplatte geladene Meßkurven sowie mathematische Verknüpfungen davon, wie z.B. die Differenzkurve oder das Verhältnis zweier Kurven, können gleichzeitig in unterschiedlich definierbaren Fenstern dargestellt werden und gestatten eine schnelle und verbesserte Fehlerdiagnose.

PIC331
Bild 3.3.1: Differenz und Transferfunktion

Die Berechnung der Differenz- und Transfer-Funktion bei der Transformator-Diagnose erfolgt automatisch für Referenz- oder Prüfstoß, die Resultate werden in den virtuellen Kanälen gleichzeitig dargestellt. Die Spannungs- und Stromamplitude des Prüfstoßes werden auf den Referenzstoß normiert und die Differenzen 10-fach aufgedehnt dargestellt.

3.3.2 Stromglättung bei Trafoprüfungen
Bei der Transformatorprüfung wird der kapazitive Prüflingsstrom gemessen, der physikalisch bedingt wegen Ip=C·dU/dt sehr hochfrequente Anteile enthält. Neben der umständlichen Begrenzung der Bandbreite im Strommeßkreis mit Kondensatoren oder Filtern kann eine softwaremäßige Glättung der Stromkurve mit wählbarer Bandbreite selektiert werden. Hierdurch werden auch hochfrequente Interferenzen im Meßkreis reduziert.

3.4 Berechnung der Transferfunktion
Die Berechnung der Transferfunktion erfolgt mit Hilfe der schnellen Fouriertransformation (FFT). Die Anzahl der im Zeitbereich verwendeten Abtastpunkte beträgt bei Stoßspannungsprüfungen N=4096, wobei Anfangs- und Endpunkt durch den gewählten Hauptzoomausschnitt der Bilddarstellung festgelegt werden. Sind in diesem Ausschnitt mehr Abtastpunkte eingestellt, dann wird ein FFT-Skalenfaktor als ganzzahliges Vielfaches von 4096 berechnet. Bei Abbildung eines vollen Stoßes 1,2/50 bis etwa 100 s entsprechend ca. 10000 Punkte ergibt dies einen FFT-Skalenfaktor von 2. Zur Verbesserung der Rechengenauigkeit durch Verringerung von Rauschanteilen können die Meßdaten zusätzlich mit einem eingebbaren Glättungsintervall geglättet werden, welches zweckmäßigerweise gleich dem FFT-Stauchfaktor gewählt wird. Es ist zu beachten, daß bei einem FFT-Skalenfaktor von 2 die bei der FFT berechenbare höchste Frequenz gleich 1/4 der Abtastrate wird.

Bei der Einstellung des Digitalrecorders ist darauf zu achten, daß die Meßbereiche für Spannung und Strom insbesonders bei abgeschnittenen Stößen groß genug gewählt werden, um eine Übersteuerung zu vermeiden. Die dann fehlenden Strom- oder Spannungsamplituden würden zu einer Verfälschung der Transferfunktion führen.

3.4.1 Fensterfunktion
Zur Vermeidung von Randeffekten werden in der Literatur unterschiedliche Fenstermethoden beschrieben, welche die Amplituden der zu transformierenden Signale zum Rand hin gegen Null gehen lassen. Die TRAS-Software verwendet für impulsförmige Signalverläufe bei der Stoßspannungsprüfung, die linksseitig ohnehin gleich Null sind, ein halbes Von-Hann-Fenster /21/ nach der Formel
w(n) = 0.5 + 0.5·cos(pi·n/N)
mit N = Anzahl der Datenpunkte für FFT und n = aktueller Abtastpunkt.

Für periodische Signale, bei denen links- und rechtsseitig des FFT-Bereiches Signalamplituden ungleich Null vorhanden sein können, verwendet die TRAS-Software wahlweise ein ganzes Von-Hann-Fenster nach der Formel
w(n) = 0,5 - 0,5·cos(2·pi·n/N)
Die Verwendung anderer Fensterformen kann aufgrund der unterschiedlichen Bewertung der abgetasteten Signalamplituden zu unterschiedlichen Ergebnissen der FFT führen.

3.4.2 Dämpfungsfunktion
Bei der Berechnung der Transferfunktion H(f) werden die Frequenzspektren S(f) von Strom und Spannung geteilt nach der Gleichung
H(f) = Si(f) / Su(f)
Aufgrund der begrenzten Rechengenauigkeit bedingt z.B. durch die begrenzte Auflösung und durch Rauschen können die Frequenzen des Spannungsspektrums mit sehr kleinen Amplituden zu überbewerteten Amplituden in der Transferfunktion führen, vergleichbar mit einem Teilen Null/Null. Um diesen Effekt zu reduzieren, kann die Bewertung mit einer Dämpfungsfunktion zweckmäßig sein. Die TRAS-Software bewertet das Amplitudenspektrum der Transferfunktion nach der Gleichung
D(f) = 1/(1+L/Su(f)²)
mit L = Dämpfungskonstante und Su = Amplitudenspektrum der Spannung

Die bei der Berechnung der Transferfunktion eingebbare Dämpfungskonstante L ergibt für L=0 keine Dämpfung, für L>0 nimmt die Dämpfung für kleine Frequenzanteile in Su(f) zu.

Die Wirkung dieser Dämpfungsfunktion zeigt die folgende Abbildung.

PIC343
Bild 3.4.3: Dämpfungsfunktion mit L=0/10000/10000

oberes Fenster: Verlauf Spannung und Strom LIC
mittleres Fenster: 3 Transferfunktionen L=0/10000/100000

Der Vergleich verschiedener Transferfunktionen erfordert eine Amplitudennormierung auf den interessierenden Maximalwert. Um zu vermeiden, daß höherfrequente Anteile die Normierung beeinflussen, kann der Normierungsbereich durch Eingabe einer oberen Frequenzgrenze fmax begrenzt werden.

3.4.4 Kohärenzfunktion
Die Kohärenzfunktion ist ein Maß für die Leistung im Ausgangssignal, welche durch die Eingangsgröße verursacht wird. Die Kohärenz ist 1, wenn das Ausgangssignal ausschließlich durch das Eingangssignal verursacht wird. Wenn die Kohärenz 0 ist, dann ist das Ausgangssignal nicht durch das Eingangssignal verursacht.

Bei der Ermittlung der Transferfunktion ist der Strom durch den Prüfling durch die angelegte Stoßspannung verursacht. Bei der Messung dieser Größen mit zwei Kanälen eines Digitalrecorders werden sich insbesonders elektromagnetische Interferenzen und das Eigenrauschen des Digitalrecorders zu diesen Signalen überlagern. Die Berechnung der Kohärenzfunktion kann deshalb eine Hilfe bei der Beurteilung von Meßaufbau und Qualität des Digitalrecorders sein. Die Berechnung erfolgt aus den gemittelten Leistungsspektren von zwei Prüfstößen (Referenzstoß und aktuelle Messung) wie folgt:

k(f)² = ¦Gui¦² / Guu·Gii
mit den Kreuzleistungsspektren
Gui(f) = Su(f)·S*i(f) usw., mit * konjugiert komplex.

3.4.5 Impulsantwort h(t)
Die Impulsantwort ist die Rücktransformation der Transferfunktion in den Zeitbereich nach der Gleichung
h(t) = F hoch-1·[H(f)]
Da bei der Methode der Transferfunktion die Anregefunktion eliminiert wird, sollte sich bei der Rücktransformation idealerweise der Einheitssprung ergeben. Abweichungen hiervon könnten auf nichtideale Übertragungseigenschaften der Spannungs- und Strommeßkreise hindeuten, Untersuchungen über derartige Zusammenhänge im Hochschulbereich könnten für das Verständnis der Zusammenhänge unter realen Bedingungen im Prüffeld wertvoll sein.

PIC346
Bild 3.4.6: Vergleich voller/abgeschnittener Stoß

oberes Fenster:
oben: Spannungsverlauf LI und LIC
unten: Stromverlauf LI und LIC

mittleres Fenster:
oben: Kohärenzfunktion, Transferfunktion LI und LIC
unteres Fenster:
Impulsantwort

Die Impulsantwort in obigem Bild zeigt ein Schwingverhalten, eine Überprüfung der Strom- und Spannungsmeßkreise hinsichtlich Übertragungsverhalten sollte vorgenommen werden.

3.5 Kalibrierung des Digitalrecorders
IEC 1083-1 fordert die regelmäßige Kalibrierung des Digitalrecorders gegebenenfalls vor und nach jeder Stoßspannungsprüfung. Bei stabilen Digitalrecordern können die Kalibrierintervalle vergrößert werden.

Mit Hilfe der Kalibriersoftware TRAS-KAL ist eine zeitsparende automatische Kalibrierung der Meßbereiche des Digitalrecorders nach IEC 1083-1 in Verbindung mit einem Impuls-Kalibriergenerator KAL 1000 /12/ möglich. Die Software übernimmt die Steuerung des Kalibrators über den Steuerausgang des Digitalrecorders, die automatische Aufzeichnung und Auswertung der Impulsspannung und die statistische Auswertung der Kalibrierergebnisse mit Erstellung eines Kalibrierscheines in einer wählbaren Sprache.

3.6 Kalibrierung des Digitalrecorders
Mit Hilfe der Teiler-Kalibriersoftware TRAS-TEIL ist die automatische Kalibrierung des Stoßspannungs-Meßkreises nach IEC 60-2 in Verbindung mit dem Rechteck-Impulsgenerator KAL 1000 RIG /11/ nach der Parametermethode durch Bestimmung der Sprungantwort möglich. Die geringe Abtastunsicherheit der beschriebenen Digitalrecorder gestattet ein repetitives Sampling mit 20 bis 50-facher Abtastrate entsprechend 2 bis 5 GS/s mit dem System TR-AS 100-10. Hierdurch wird die für die Ermittlung der Antwortzeit durch Integration der Sprungantwort notwendige Genauigkeit erreicht.

3.7 Automatische Protokollierung
Mit Hilfe eines Matrix- Tintenstrahl- oder Laserdruckers ist eine automatische Protokollierung der Stöße während der Prüfung sowie die Erstellung eines Prüfprotokolles und Prüfzertifikates danach vorgesehen. Das Protokollier-Modul bietet dem Anwender eine einfache Methode zur Erstellung eines beliebigen Protokolls. Die Gestaltung des Protokolls aus Protokoll-Kopf, Tabellenteil und Protokoll-Fuß sowie die Wahl einer beliebigen Sprache kann weitgehend durch den Anwender erfolgen. Es können ein- und mehrseitige Prüfzertifikate und Prüfberichte jeweils mit oder ohne Bildteil definiert und in der gewünschten Sprache ausgegeben werden. Die Anordnung der Stoßkurven kann ein- oder zweispaltig erfolgen, bei einkanaliger Messung können die Stoßkurven vertikal um einen eingebbaren Wert verschoben ausgedruckt werden.

3.8 Eignungstest mit IEC 1083-2 TDG
Die TR-AS Auswertesoftware Version 5.58 wurde unter Berücksichtigung der mit dem IEC 1083-2 - Testdata-Generator (Freigabe Date 03/09/1994) erzeugten Referenz-Kurvenformen getestet /13/.

TDG4
Bild 3.8.1: IEC-TDG No. 4 - LI mit f>500kHz

Alle Prüfergebnisse der Standard- und Nichtstandard-Wellenformen unter Berücksichtigung von Überschwingen und Bestimmung der Mittelkurve wurden durch automatische Auswertung ermittelt /16/. Bild 3.8.1 zeigt beispielsweise Kurve Nr. 4 zusammen mit der berechneten Mittelkurve, der komplette Satz von Wellenformen ist in /13/ dargestellt. Die Prüfergebnisse für LI für eine gewählte Auflösung von 10 Bit zeigt der folgende Auszug aus dem Prüfbericht:

PIC342
Bild 3.8.2: Prüfbericht IEC-TDG Referenzkurven

Die TR-AS Software erfüllt alle in IEC 1083-2 spezifizierten Grenzwerte für die Impulsparameter der Referenzkurven für alle Gruppen von Impulsen.

Das Generieren der Referenzkurven mit dem IEC 1083-2 Testdatagenerator TDG und laden der Kurven in einen TR-AS Digitalrecorder zur Auswertung ist in /13/ beschrieben.

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4 Einbindung in Prüfsystem

Der Anschluß des Digitalrecorders an Spannungsteiler oder Meßshunts der bekannten Hersteller ist in der Regel einfach möglich. Hierfür stehen, für jeden einzelnen Meßkanal frei wählbar, Eingangsstufen mit Meßbereichen bis 1600 V zur Verfügung.

4.1 Steuerung des Stoßgenerators
Mit Hilfe des HIGHVOLT Mikrorechner-Steuersystems /19/ können Stoßgeneratoren beliebiger Ausführung vollautomatisch betrieben werden, unterschiedliche Prüfverfahren mit statistischer Auswertung und Protokollierung sind verfügbar.

Die Steuerung des Stoßgenerators und des Digitalrecorder erfolgt durch einen einzigen, gemeinsam genutzten Steuer- und Auswerterechner im Meßsystem mit gemeinsamer Bedientastatur. Die Kopplung mit dem Meßsystem erfolgt über eine vorbereitete Lichtwellenleiter-Verbindung.

4.2 Steuerung des Impuls-Kalibriergenerators
Für die automatische Kalibrierung der Eingangsbereiche des Digitalrecorders nach IEC 1083-1 ist ein Steuerausgang zur Triggerung des Kalibriergenerators vorgesehen.

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5 Kalibrierung von Digitalrecordern

5.1 Rückführbarkeit auf Nationale Standards
PTB: Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig ist das metrologische Staatsinstitut und die technische Oberbehörde für das Meßwesen in Deutschland.

DKD: Im Deutschen Kalibrierdienst sind Kalibrierlaboratorien der Industrie und anderer Institutionen zusammengeschlossen, die von der PTB nach festgelegten Kriterien akkreditiert und überwacht werden. Das DKD-Kalibrierlaboratorium muß die Anforderungen der DIN EN 45001 "Allgemeine Kriterien zum Betreiben von Prüflaboratorien" erfüllen. Dazu gehört das Betreiben eines Qualitätssicherungssystems (QSS) und dessen Dokumentation in einem Qualitätssicherungshandbuch (QSH) nach DIN ISO 9001 und EN 29001.

Betrieb: In den Betrieben werden Kalibrierlaboratorien betrieben, welche vom DKD kalibrierte Referenz-Meßsysteme als Werks-Normale zur Kalibrierung der Meß- und Prüfsysteme im Prüffeld einsetzen (kalibrierte Meßsysteme).

5.2 Referenz-Meßsysteme
Die Anforderungen an Referenz-Meßsysteme sind in IEC 60-2 /2/ wie folgt angegeben:
Spannung/ScheitelZeitparameter
Gleichspannung1%
Wechselspannung1%
Stoßspannung
voll und Tc>2µs1%5%
Tc<=2µs3%5%
Stoßstrom1%5%
Die Akkreditierung eines Prüflabors für volle und abgeschnittene Stoßspannung ist mit einem Referenz-Meßsystem bestehend aus einem Digitalrecorder Typ TR-AS 100-10 mit 100 MS/s Abtastrate und 10 Bit Auflösung und einem Referenz-Impulsspannungsteiler Fabrikat HIGHVOLT durch die PTB möglich. In gleicher Weise kann ein Referenz-Meßsystem für Stoßströme unter Verwendung eines Präzisions-Impulsmeßwiderstandes Fabrikat HILO gebildet werden.

Die gute Grundgenauigkeit und Langzeitstabilität des Digitalrecorders TR-AS 100-10 über den gesamten Frequenzbereich einschließlich Gleichspannung gestattet darüber hinaus in Verbindung mit einem Referenz-Spannungsteiler für Gleich- und Wechselspannung den Aufbau eines Referenz-Meßsystems auch für diese Spannungsarten. Derart kostengünstige Akkreditierungen sind bereits erfolgreich durchgeführt worden /14/.

5.3 DKD-Kalibrierlaboratorium für Impulsmessung
Die Akkreditierung des ersten DKD-Kalibrierlaboratoriums für Impulsmessung erfolgte am 06.06.1994 durch die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Deutscher Kalibrierdienst (DKD), vertreten im Deutschen AkkreditierungsRat als Kalibrierlaboratorium für elektrische Impulsgrößen unter der DAR-Registriernummer DKD-K-11701. Die Firma DR. STRAUSS GMBH ist somit das erste Unternehmen, welches Impuls-Kalibrier- und Meßeinrichtungen für Stoßspannungs- und Stoßstromprüfungen rückführbar auf nationale Normale kalibrieren darf und hierfür Kalibrierscheine ausstellt, die innerhalb der WECC in ganz Europa anerkannt werden.

Das Kalibrierlaboratorium bietet die Kalibrierung von

  • Impuls-Kalibriergeneratoren
  • Sprunggeneratoren
  • Digitalrecordern
  • Stoßvoltmetern
an und stellt dafür DKD-Kalibrierscheine aus.

Bei der Kalibrierung von Digitalrecordern ist zu beachten, daß die zugehörige Auswertesoftware für die Ermittlung der Stoßparameter im Kalibrierumfang eingeschlossen ist. Die DKD-Kalibrierung handelsüblicher Digitalrecorder ohne Auswertesoftware ist deshalb nach IEC 1083-1 nicht möglich.

Das DKD-Kalibrierlaboratorium nahm im Juni 1994 seine Arbeit auf und hat mittlerweile etwa 100 Kalibrierungen durchgeführt. Diese kalibrierten Digitalrecorder und Impuls-Kalibriergeneratoren sind für viele Anwender in aller Welt die Basis zur Einrichtung eines für volle und abgeschnittene Stoßspannungen akkredidierten Prüflaboratoriums. Die anerkannten DKD-Kalibrierscheine dokumentieren die Rückführbarkeit der Qualitätssicherung im Qualitätsmanagementsystem des Betriebes nach DIN/ISO 9001.

5.4 Bezugsnormal-Meßeinrichtung
Die Bezugsnormal-Meßeinrichtung als Grundausstattung des DKD-Kalibrierlaboratoriums /6/ beinhaltet einen Digitalrecorder Typ TR-AS 100-10 /10/ und einen Impuls-Kalibriergenerator Typ KAL 1000 /11/ aus der eigenen Fertigung und ist an die nationalen Normale bei der PTB angebunden. Die hierbei durch die PTB bestätigte hohe Qualität unserer Produkte, dokumentiert durch ausführliche Typenprüfungen unter Beachtung der einschlägigen Normen, findet ihren Niederschlag in den für unsere Kunden bestimmten Produkte.

5.5 Kalibrierergebnisse
Die folgenden Bilder zeigen zusammengefaßt die Kalibrierergebnisse der seit 1994 kalibrierten Digitalrecorder Typ TR-AS 100-10 für volle und abgeschnittene Stoßspannung 0,84/60 mit 0,5 s Abschneidezeit.

Die Bilder zeigen für die entsprechenden Impulsparameter die Mittelwerte (mittlere Kurve) der ermittelten Abweichungen aus allen Kalibrierungen abhängig vom Meßbereich und die maximale positive (obere Kurve) und negative (untere Kurve) Abweichung von diesen Mittelwerten.

PIC551
Bild 5.5.1: LI Scheitelwert

PIC552
Bild 5.5.2: LI Stirnzeit

PIC553
Bild 5.5.3: LI Rückenhalbwertszeit

PIC554
Bild 5.5.4: LIC Scheitelwert

PIC555
Bild 5.5.5: LIC Abschneidezeit

Alle Digitalrecorder halten die Grenzwerte von 2% für Scheitelwerte und 4% für Zeitparameter ein.

Mehr als die Hälfte der kalibrierten Digitalrecorder halten die Grenzwerte von 1% für Scheitelwerte und 2% für Zeitparameter ein und erfüllen die Voraussetzungen von Bezugsnormal-Meßeinrichtungen (Referenz-Standard) nach IEC 60-2. Diese Meßeinrichtungen können vom Anwender zweifach und somit sehr ökonomisch genutzt werden, im Kalibrierlaboratorium für Referenzmessungen für volle und abgeschnittene Stoßspannung und im Hochspannungs-Prüffeld für Routineprüfungen.

5.6 Europäischer Ringvergleich der HUT 1996
12 Laboratorien in Europa haben an einem Ringvergleich zur Hochspannungs-Impulsmessung mit Digitarrecordern unter Führung der Helsinki University of Technology (HUT) von September 1995 bis Juni 1996 teilgenommen. Das zirkulierende Referenz-Meßsystem bestand aus einem Ohm'schen 400 kV Teiler (HUT) und einem Digital-Recorder TR-AS 100-10 mit dem oben beschriebenen Design. Der Referenz-Digitalrecorder wurde von HUT und PTB aufgrund mehrfacher Kalibrierungen in diesem Zeitraum als stabil bezeichnet /20/. Die Überprüfung der kompletten Meßeinrichtung erfolgte in allen Laboratorien vor den Vergleichsmessungen durch Bestimmung der Sprungantwort mit Hilfe eines Sprungspannungs-Kalibrators KAL 1000 RIG nach der Parametermethode (IEC 60).

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6 Referenzen

/1/  IEC Publication 1083-1: Digital recorders for measurements in high voltage impulse tests, Part 1 - Requirements for digital recorders, 1991
/2/  IEC Publication 60: High Voltage Test Techniques, Part 2: Measuring Systems, 1994
/3/  W. Strauss: Automatisierung der Stoßspannungsprüfung mit Microcomputern in Echtzeitbetrib unter Einsatz eines Transienten-Recorders, Dissertation TU Berlin 1983.
/4/  W. Strauss: Calibration of digital recorders for h.v. impulse tests, 7th ISH Dresden 1991, paper 62.03.
/5/  H. Bachmann, et al: Field and EMC-tests of a digital h.v. impulse control and measuring system, 7th ISH Dresden 1991, paper 62.04.
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