Die vorliegende Erfindung betrifft ein Referenzmesssystem zum Kalibrieren eines

Leistungsmesssystems für Leistungstransformatoren.

Beim Einsatz von Leistungstransformatoren im Energieversorgungsnetz ist die Minimierung der Verlustleistung ein äußerst wichtiges Kriterium. Die Verlustleistung, die sich

beispielsweise in Leerlauf- oder Kurzschlussverlusten wiederspiegelt, ist eine design- und/oder fertigungsabhängige Größe und wird deshalb in einer sogenannten

Verlustleistungsmessung bei der Routine- und Typprüfung von Leistungstransformatoren nach IEC Standard 60076-1 bzw. IEEE Standard C57.12.90-1999 überprüft. Die Größe der Verlustleistung wirkt sich beim Energieversorger direkt in Kosten aus und wird daher beim Kauf des Leistungstransformators gegenüber dem Hersteller monetär pönalisiert. Aus diesem Grund ist die Verlustleistung beim Kauf eines Leistungstransformators möglichst genau zu ermitteln. Jedes Hochspannungsprüflabor für Leistungstransformatoren verfügt aus diesem Grund über ein sogenanntes Leistungsmesssystem, welches kalibriert werden muss, um mittels des Leistungsmesssystems die Verlustleistung des Leistungstransformators zu bestimmen und möglichst genau zu messen. Die Kalibrierung eines derartigen

Leistungsmesssystems ist zudem vorgeschrieben im IEC Standard 60060-2.

Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Leistungsmesssysteme umfassen als Teilkomponenten eine Strom- und Spannungsquelle, einen Spannungswandler, einen Stromwandler, ein Prüfobjekt, nämlich den Leistungstransformator, und ein Auswertegerät. Um hinreichend genaue Messwerte mit dem Leistungsmesssystem zu gewährleisten, müssen insbesondere der Stromwandler, der Spannungswandler und das Auswertegerät kalibriert werden. Gängige Praxis ist es dabei, diese genannten Teilkomponenten des Leistungsmesssystems, also den Stromwandler, den Spannungswandler und das

Auswertegerät, einer zeit- und kostenaufwändigen komponentenspezifischen

Einzelkalibrierung zu unterziehen. Dafür müssen die Teilkomponenten Stromwandler,

Spannungswandler und Auswertegerät aus dem Leistungsmesssystem ausgebaut und an den entsprechenden Gerätehersteller geschickt werden, damit dieser seine jeweilige

Teilkomponente kalibrieren kann. Nachdem dann die Teilkomponente einer Einzelkalibrierung unterzogen wurden, kann das Leistungsmesssystem wieder komplettiert, d. h. zusammengebaut, werden. In einem anschließenden Verfahrensschritt wird versucht, rechnerisch aus den Messunsicherheiten der vom Hersteller kalibrierten einzelnen

Teilkomponenten für das gesamte Leistungsmesssystem den Messfehler zu errechnen, bzw. rückzuschließen.

Für die Einzeikalibrierung der Teilkomponenten des Leistungsmesssystems bedient sich der Stand der Technik eines sogenannten Referenzmesssystems. In einem

Referenzmesssystem sind die zu ermittelnden, bzw. zu kalibrierenden, elektrischen

Kenngrößen auf für den Betreiber bekannte Werte, die die Referenzwerte darstellen, genormt. Das Referenzmesssystem dient also mit anderen Worten als Bezugssystem mit für den Betreiber bekannten elektrischen Ausgabewerten bei festgelegten Eingabewerten. In Figur 1 ist der Schaltungsaufbau eines aus dem Stand der Technik bekannten

Referenzmesssystems zum Kalibrieren der Teilkomponente eines Spannungswandlers dargestellt. Dieses Referenzmesssystem weist hierfür einen Hochspannungstransformator 1 als Spannungsquelle auf, der mittels Anschlussleitungen mit einem

Referenzspannungswandler 2 elektrisch in Verbindung steht. Der

Referenzspannungswandler 2 wiederum ist mittels eines Referenzmesskabels 3 mit einem Referenzauswertegerät 4 elektrisch verbunden. Weiterhin wird von dem

Hochspannungstransformator 1 auch das eigentliche Kalibrierobjekt, nämlich ein

Spannungswandler 5 und ein Auswertegerät 7, das in elektrisch symmetrischer Anordnung zu dem Referenzspannungswandler 2 und dem Referenzauswertegerät 4 an dem

Hochspannungstransformator 1 angeordnet ist, elektrisch gespeist. Figur 2 zeigt den Schaltungsaufbau eines weiteren, aus dem Stand der bekannten,

Referenzmesssystems zur Kalibrierung eines Stromwandlers. Hierfür ist ein

Hochstromtransformator 8 als Stromquelle vorgesehen, der mittels eines Hochstromkreises mit einem Referenzstromwandler 9 elektrisch verbunden ist und an dem seinerseits wiederum über ein Referenzmesskabel 10 ein Referenzauswertegerät 1 1 angeschlossen ist. In dazu symmetrischem Aufbau sind an dem Hochstromkreis des Hochstromtransformators 8 auch die eigentlich zu kalibrierenden Teilkomponenten, nämlich ein Stromwandler 12, der über ein Messkabels 13 mit dem Auswertegerät 14 verbunden ist, angeschlossen. In beiden in den Figuren 1 und 2 dargestellten Referenzmesssystemen wird ein Soll- Istwertabgleich zwischen den ermittelten physikalischen Größen bzw. deren Werten des Referenzmesssystems im Vergleich zu den einzelnen Teilkomponenten, die zu kalibrieren sind, vollzogen. Insgesamt betrachtet ist der aus dem Stand der Technik bekannte Aufbau zur Kalibrierung der einzelnen Teilkomponenten damit sehr umständlich, weil

unterschiedliche Referenzmesssysteme notwendig sind, um den Stromwandler und den Spannungswandler zu kalibrieren. Auch hat sich gezeigt, dass eine Einzelkalibrierung der Teilkomponenten des Leistungsmesssystems mittels der bekannten beiden oben näher erläuterten Referenzmesssysteme nicht hinreichend genau ist, um daraus eine Aussage für die Messgenauigkeit des gesamten Leistungsmesssystems nach dessen Zusammenbau treffen zu können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Referenzmesssystem zum Kalibrieren eines Leistungsmesssystems für Leistungstransformatoren anzugeben, das eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöhte Messgenauigkeit aufweist und das es zudem entbehrlich macht, unterschiedliche Referenzmesssysteme für die Kalibrierung der

Teilkomponenten Stromwandler, Spannungswandler und Auswertegerät des

Leistungsmessssystems heranzuziehen. Diese Aufgabe wird durch ein Referenzmesssystem zum Kalibrieren eines

Leistungsmesssystems für Leistungstransformatoren mit den Merkmalen des ersten

Patentanspruches gelöst. Die Untersprüche betreffen besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Die allgemeine erfinderische Idee besteht darin, die beiden aus dem Stand der Technik bekannten Referenzmesssysteme für die Kalibrierung eines Stromwandlers, eines

Spannungswandlers und eines Auswertegerätes in einem gemeinsamen, weiterentwickelten Referenzmesssystem zum Kalibrieren eines Leistungsmesssystems für

Leistungstransformatoren zu integrieren. Damit müssen letzten Endes die zu kalibrierenden Teilkomponenten des Leistungsmesssystems, nämlich der Stromwandler, der

Spannungswandler und das Auswertegerät, nur mehr mit einem gemeinsamen

erfindungsgemäßen Referenzmesssystem kalibriert werden. Damit müssen auch der Stromwandler und Spannungswandler nicht mehr, wie im Stand der Technik, einer Einzelkalibrierung durch den jeweiligen Hersteller unterzogen werden, sondern können gemeinsam mit nur einem erfindungsgemäßen Referenzmesssystem in einem zeitgleich ablaufenden Kalibriervorgang kalibriert werden. Weiterhin wird durch das erfindungsgemäße Referenzmesssystem zudem eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich genauere Bestimmung der Verlustleistung des Leistungstransformators sichergestellt, da die bisher rechnerische Ermittlung der Messungenauigkeit aus den Messungenauigkeiten der

Teilkomponenten entfällt. Dies deshalb, weil erfindungsgemäß erkannt wurde, dass insbesondere die Messleitungen zwischen den Strom- bzw. Spannungswandlem und dem entsprechenden Ausgabegerät, sowie der Auswertealgorithmus im Auswertegerät selbst, der den Phasenwinkel zwischen den gemessenen elektrischen Größen feststellt und aus den Größen Strom, Spannung und Phasenwinkel die Leistung ermittelt, Einfluss auf das

Messergebnis innerhalb des Leistungsmesssystems bzw. des Referenzmesssystems während der Kalibrierung der Teilkomponenten haben. Das erfindungsgemäße

Referenzmesssystem erzielt damit eine gegenüber der Einzelkalibrierung der

Teilkomponenten des Leistungsmesssystems mittels der bekannten separaten

Referenzmesssysteme, und eine sich daran anschließende Hochrechnung des Messfehlers auf das gesamte Leistungsmesssystem, deutlich erhöhte Messgenauigkeit. Häufig wurden auch die Messdaten der Teilkomponenten manuell erfasst und in einem Kalibrierprotokoll für das gesamte Leistungsmesssystem zusammengeführt; der Messfehler der Teilkomponenten wurde damit in das Kalibrierprotokoll des gesamten Leistungsmesssystems übertragen, was letzten Endes auf Kosten der Messwertgenauigkeit des Leistungsmesssystems geschieht.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung der beschriebenen Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 den Schaltplan eines Referenzmesssystem nach dem Stand der

Technik zum Kalibrieren eines Spannungswandlers Figur 2 den Schaltplan eines Referenzmesssystem nach dem Stand der

Technik zum Kalibrieren eines Stromwandlers

Figur 3 den Schaltplan eines erfindungsgemäßen Referenzmesssystems zum ^"

Kalibrieren eines Leistungsmesssystems eines

Leistungstransformators Figur 3 zeigt den Schaltplan eines erfindungsgemäßen Referenzmesssystems zum

Kalibrieren eines Leistungsmesssystems für Leistungstransformatoren. Als Spannungsquelle dient ein Hochspannungstransformator 30, der die erforderliche Kalibrierspannung von bis zu 100 kV für das erfindungsgemäße Referenzmesssystem zur Verfügung stellt. Mittels einer elektrischen Leitung steht ein Referenzspannungswandler 31 mit dem

Hochspannungstransformator 30 in Verbindung. Der Referenzspannungswandler 31 , der eine Eingangsspannung auf eine für den Prüffeldbetreiber bekannte Ausgangsspannung wandelt, ist seinerseits sowohl über einen Hochstromkreis 32 mit einem

Hochstromtransformator 33, der einen maximalen Prüfstrom von 2 kA zur Verfügung stellt, elektrisch verbunden, als auch mit einem Referenzstromwandler 34, der seinerseits wiederum einen Eingangsstrom auf einen für den Prüffeldbetreiber bekannten

Ausgangsstrom wandelt. Darüber hinaus steht ein Referenzauswertegerät 35 jeweils über Referenzmesskabel 36.1 und 36.2 sowohl mit dem Referenzspannungswandler 31 als auch mit dem Referenzstromwandler 34 elektrisch in Verbindung. Das ebenfalls auf für den Prüffeldbetreiber auf bekannte elektrische Kenngrößen genormte Referenzauswertegerät 35 nimmt bei der Leistungsmessung die Signale des Referenzstromwandlers 34 und

Referenzspannungswandlers 31 auf und errechnet daraus die Wirkleistung P, die

Scheinleistung S, die Frequenz f, und den Phasenwinkel U zwischen angelegtem Strom und angelegter Spannung. Zusätzlich kann mittels des Referenzauswertegerätes 35 der

Oberwellengehalt der Sinusgrößen ausgewertet werden. Zwei sehr weit verbreitete

Referenzauswertegeräte 35 für die Leistungsmessung sind das YOKOGAWA WT3000 sowie das ZERA COM 3003. In den Hochstromkreis 32 eingeschleift sind bei dem

erfindungsgemäßen Referenzmesssystem auch die zu kalibrierenden Teilkomponenten des Leistungsmesssystems, nämlich ein Spannungswandler 37, ein Stromwandler 38 und ein Auswertegerät 39. In analog symmetrischen Aufbau zu den Referenzmessgeräten 31 , 34 und 35 steht das zu kalibrierende Auswertegerät 39 jeweils über Messkabel 40.1 und 40.2 sowohl mit dem zu kalibrierenden Spannungswandler 37 als auch dem zu kalibrierenden Stromwandler 38 elektrisch in Verbindung.

Aus dem Buch„Hochspannungstechnik" von Andreas Küchler, Springer Verlag, 2005 sind Strom- und Spannungswandler bekannt, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung Verwendung finden können. Für die Bestimmung der Spannung haben sich insbesondere kapazitive Spannungswandler im Stand der Technik bewährt wohingegen sich für die Bestimmung des Stroms induktive Stromwandier eignen.

Ein solcher aus dem Stand der Technik bekannter kapazitiver Spannungswandlers wird stets an einem stromdurchflossenen Leiter angeschlossen. Genauer gesagt, werden an einen stromdurchflossenen Leiter zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren angeschlossen. Der Niederspannungskondensator in einem unteren Gehäuse wird dabei mit dem Erdpotential verbunden. Ein Oberspannungskondensator ist in einem separaten, isolierenden Stützrohr angeordnet und trennt das Hochspannungspotential am oberen Gehäuse vom Erdpotential des unteren Gehäuses. Das obere Gehäuse, welches die Verbindung zwischen dem Leiter und dem Oberspannungskondensator umgibt, liegt ebenfalls auf Hochspannungspotential. Aus dem Verhältnis der beiden Kondensatoren sowie der gemessenen Spannung am Niederspannungskondensator lässt sich die Spannung am stromdurchflossenen Leiter ermitteln.

Für die Bestimmung des Stromes werden meist induktive Stromwandler verwendet. Dabei ist um den stromdurchflossenen Leiter ein geschlossener, ringförmiger Eisenkern angeordnet, um den eine Wicklung gewickelt ist, in der ein Strom induziert wird, sobald ein Strom durch den Leiter fließt. Ein Nebenschlusswiderstand ist mit der Wicklung in Reihe geschaltet. Durch Messung des Stromes am Nebenschlusswiderstand kann der Strom des Leiters bestimmt werden. Das Gehäuse der Vorrichtung ist dreiteilig ausgebildet. Das obere

Gehäuse umschließt den stromdurchflossenen Leiter und ist über ein isolierendes Stützrohr mit dem unteren Gehäuse verbunden. Das obere Gehäuse liegt auf

Hochspannungspotential, während das untere Gehäuse auf Erdpotential liegt.

Bezugszeichenliste

1 Hochspannungstransformator

2 Referenzspannungswandler

3 Referenzmesskabel

4 Referenzauswertegerät

5 Spannungswandler

6 Messkabei

7 Auswertegerät

8 Hochstromtra n sf o rm ator

9 Referenzstromwandler

10 Referenzmesskabel

1 1 Referenzauswertegerät

12 Stromwandler

13 Messkabel

14 Auswertegerät

30 Hochspannungstransformator

31 Referenzspannungswandler

32 Hochstromkreis

33 Hochstromtransformator

34 Ref ere nzstrom wa n d ler

35 Referenzauswertegerät

36.1 und 36.2 Referenzmesskabel

37 Spannungswandler

38 Stromwandler

39 Auswertegerät

40.1 und 40.2 Messkabel