Stets auf dem aktuellsten Stand: HBM-Messtechnik für Tests und Prüfungen im Hochspannungsbereich

HBM hat das KEMA-Hochspannungslabor bei DNV GL in Arnhem, Niederlande, mit drei Transientenrekordern der Serie Genesis High Speed ausgestattet. Die neuen Datenerfassungssysteme ersetzen die LDS Nicolet-Geräte, die von KEMA Laboratories zwischen 1995 und 2000 erworben und bisher verwendet wurden. Hauptgrund für die Umstellung auf neue Messgeräte war die Anwendung des Standards IEC 60060-2 (2010), der Leitlinien für die Durchführung von Hochspannungsprüfungen und die Anforderungen an die Messtechnik vorgibt.

Stromausfälle haben erhebliche Folgen

Im Hochspannungslabor sind wir auf die Prüfung und Zertifizierung von Hochspannungskomponenten, elektrischen Anlagen und Messgeräten sowie Schutz- und Steuereinrichtungen zur Erzeugung und Verteilung von Elektrizität spezialisiert. Die Prüfung und Zertifizierung der Sicherheit und Steuerung von Hochspannungsanlagen und -systemen gewinnt zunehmend an Bedeutung, da die Strominfrastruktur immer komplexer und verwundbarer wird. Stromausfälle haben erhebliche Folgen, die von beträchtlichem wirtschaftlichen Schaden bis hin zu lebensbedrohenden Situationen durch den Ausfall kritischer Systeme reichen.

 

„Wir haben in diesem Feld ein hohes Ansehen erlangt. Unsere KEMA-Prüfbescheinigungen sind international anerkannt.“

John Mooren, Testingenieur bei KEMA Laboratories in Arnhem.

Über KEMA Laboratories

Anlagen- und Gerätetests werden sowohl im Hochspannungs- als auch im Hochleistungslabor in Arnhem durchgeführt; beide gehören zu KEMA Laboratories, das wiederum in den Unternehmensbereich Energie von DNV GL eingegliedert ist. Zur Bestimmung der Kurzschlussfestigkeit von Werkstoffen führt das Hochleistungslabor Kurzschlussprüfungen durch. Anfangs wurde mit vier Generatoren ein Kurzschlussstrom von 8.800 MVA erzeugt; 2015 konnte durch den Erwerb von zwei neuen Generatoren dieser Wert auf 13.000 MVA erhöht werden.

Das Hochspannungslabor befasst sich vorrangig mit der Prüfung und Zertifizierung von Hochspannungsleitungen und -bauteilen im Auftrag von Herstellern. Hauptgegenstand sind Durchschlagsversuche zur Bestimmung der Isolationseigenschaften von Werkstoffen. Das Labor führt auch eine breite Palette anderer Prüfungen durch wie beispielsweise Temperaturprüfung von Transformatoren und Schaltanlagen, mehrmonatige Dauerprüfungen, Hochspannungskalibrierung und mechanische Prüfungen von Bauteilen wie Isolatoren und Sicherheitsrelais.

Durchschlagsversuche

Durchschlagsversuche werden unter anderem unter Einsatz von Wechselstrom (AC), Gleichstrom (DC) und Blitzstößen (LI) durchgeführt. Mit den Transientenrekordern von HBM werden Blitzstoßversuche aufgezeichnet. Eine Standard-Blitzstoßspannungswelle weist eine Frontdauer von 1,2 Mikrosekunden und eine Halbwertszeit von 50 Mikrosekunden auf. Das Transientenrekordersystem von HBM bietet eine äußerst hohe Messgeschwindigkeit von 10 Nanosekunden. Die Frontdauer einer Welle wird mit circa 120 Messungen in 1200 Nanosekunden bestimmt. Die Auswertung der Spitzenspannung einer Biltzstoßwelle erfolgt mit Softwareformeln gemäß IEC 60060-2. Diese Software gehört zum Computersystem von HBM, das die Messdaten verarbeitet; die Transientenrekorder der Serie Genesis High Speed sind für diese Aufgabe bestens geeignet.

Versuchsaufbau für ein 400-kV-Kabelsystem mit einem 2,6-MV-Stoßspannungsgenerator und einem 3000-kV-Spannungsteiler rechts. Das EMV-Gehäuse mit der Sendeeinheit von HBM befindet sich unten am Spannungsteiler.
Versuchsaufbau für die Kalibrierung eines 700-kV-Spannungsteilers mit einem 1-MV-Stoßspannungsgenerator. Die EMV-Gehäuse mit den Sendeeinheiten von HBM befinden sich unten an den Spannungsteilern.

Blitzüberspannung

Die Blitzüberspannung wird durch einen Stoßspannungsgenerator erzeugt, der aus einer Reihe von 100-kV (oder 200-kV)-Kondensatoren besteht, die nacheinander geladen und entladen werden. Im Hochspannungslabor gibt es insgesamt drei Stoßspannungsgeneratoren. Die maximal erreichbare Spannung beträgt 2,6 MV (13 Kondensatoren mit je 200 kV). Spannungen von 1,6 MV und 1 MV (16 und 10 Kondensatoren mit je 100 kV) sind ebenfalls möglich. Der Spitzenwert der Stoßspannung wird gemäß internationalen Standards bestimmt. Der Spitzenwert der Stoßspannung für 400-kV-Hochspannungssysteme ist 1425 kV; für 12-kV-Mittelspannungssysteme liegt er bei 75 kV.

Das Labor verfügt über sechs Hochspannungsteiler zum Messen von Stoßspannungen. Jeder Spannungsteiler hat einen eigenen Digitalisierer/Sender; außerdem werden zwei Messsysteme zum Messen von Sekundärsignalen eingesetzt. Insgesamt gibt es hier acht Sende- und drei Empfangseinheiten, plus drei PCs/Messsysteme von HBM.

Ein weiteres Novum war die Trennung von Datenerfassung und Übertragung der Messdaten an einen PC über Glasfaser. Dies bietet viele Vorteile, da Störungen vermieden werden, wodurch sich die Genauigkeit der Messdaten erhöht. Zudem wird die Sicherheit verbessert, da ein Überschlagen von Hochspannung über Glasfaser ausgeschlossen ist. Eine Exposition gegenüber solchen Spannungen ist folgenschwer.

Warum neue Geräte?

„2009 wurde beschlossen, die bestehenden Anlagen zu ersetzen. Grund dafür war nicht nur der Umzug in das neue Labor im Jahr 2009, sondern hauptsächlich die Änderungen an der Norm IEC 60060, die 2010 in Kraft getreten ist. Als Hochspannungslabor sind wir im IEC-Standardkomitee vertreten, da wir auf dem neuesten Stand bleiben und nach modernsten Standards testen und zertifizieren möchten. Die IEC 60060 beschreibt einheitliche Bedingungen für Hochspannungsprüfungen. Sie liefert genaue Definitionen und Leitlinien für die Erzeugung der für die Prüfungen erforderlichen Spannung und beschreibt die Anforderungen für die Durchführung der Tests mit den zulässigen Messtoleranzen sowie die Anforderungen für die Messsysteme.“

John Mooren, Testingenieur bei KEMA Laboratories in Arnhem.

Ein Investitionsvorhaben für den Erwerb neuer Messtechnik wurde im Jahr 2010 genehmigt; danach wurden bei fünf führenden Herstellern Angebote eingeholt. Nach Auswertung der Angebote wurden im Jahr 2011 drei Hersteller gebeten, ihre Lösungen im Labor vorzuführen. Die Entscheidung fiel am Ende aufgrund des besten Preis-/Leistungsverhältnisses für HBM.

Mit HBM blieb DNV GL letztendlich bei derselben Geräteausstattung, da HBM 2009 LDS Nicolet übernommen und die überarbeiteten Geräte unter der Bezeichnung Genesis High Speed auf den Markt gebracht hatte. Diese modulare Produktlinie ist für extrem schnelle Datenerfassung und Transientenspeicherung gedacht. Die Datenerfassungssysteme werden unter anderem in Dauerprüfungen, ballistischen Untersuchungen sowie Kurzschluss- und Blitzstoßspannungstests eingesetzt.

 

 

Perception Software

Screenshot der Software Perception von HBM, gemäß IEC 60060-1 (2010) mit K-Faktor-Methode mit Kurvenanpassung und Filter (geprüft gemäß IEC 61083-2).
Die Empfangs- und Sendeeinheiten der Serie ISOB5600 von HBM sind in EMV-Gehäuse eingebaut.

Die Umsetzung

Die neuen Geräte wurden Anfang 2012 geliefert. Dazu gehörten drei Transientenrekorder ISOBE5600m der Serie Genesis High Speed mit einer Messrate von 100 MS/s, was 100 Millionen Messwerten pro Sekunde entspricht. Ein ISOBE5600-System besteht aus einem Digitalisierer/Sender, der in der Hochspannungsumgebung installiert ist und einer Empfangseinheit an anderer Stelle, die an ein Datenerfassungssystem oder einen PC angeschlossen werden kann. Die Kommunikation zwischen Sender und Empfänger erfolgt über Glasfaser, wodurch die vollständige elektrische Isolierung zwischen Prüfraum und Anlagenwarte sichergestellt ist. Die Software Perception zur Messdatenverarbeitung ist ebenfalls Bestandteil der Lösung und führt die in der IEC 60060-2 beschriebenen Berechnungen durch.

Die im Hochspannungslabor eingesetzten Sender/Digitalisierer ISOBE5600t von HBM verfügen über Dämpfungseinrichtungen zur Verarbeitung der Eingangssignale und sind fest in EMV-Gehäuse eingebaut. Das bedeutet, dass die Messergebnisse nicht durch elektromagnetische Störungen beeinträchtigt werden können. Die EMV-Gehäuse sind an die Spannungsteiler angeschlossen. Die Digitalisierer/Sender digitalisieren die Messsignale, sodass sie für die Übertragung an die Empfangseinheit über Glasfaser geeignet sind.  Das Software-Modul HV-IA (Perception High Voltage Impulse Analysis) für die Analyse von Hochspannungsstößen bietet ein Bedienfeld für die Einrichtung der Tests sowie eine grafische Benutzeroberfläche zur Visualisierung der meisten Funktionen beispielsweise als Spannungskurven. Die Empfangseinheit ISOBE5600r wird zusammen mit einem Bedienfeld und einem PC in einem Messraum installiert. Mit der Software Perception werden die Daten über eine Schnittstelle in LabVIEW dargestellt.

Die Erstkonfiguration war 2012 betriebsbereit und abgenommen und wurde danach in LabVIEW integriert. Ende 2015 wurde das letzte Nicolet-Gerät außer Betrieb gesetzt und die Umstellung des Hochspannungslabors von DNV-GL auf den Einsatz von Genesis High Speed-Geräten war komplett. Das neue System hat sich als deutlich genauer als das alte erwiesen, da es die Möglichkeit bietet, in völliger Übereinstimmung mit der IEC 60060 Prüfungen durchzuführen und Berichte dazu zu erstellen.

*HBM Genesis HighSpeed-Produkte wurden bisher unter den Marken LDS Nicolet, LDS Dactron und Gould Nicolet vertrieben. Die Marke Nicolet gehört der Thermo Fisher Scientific Inc. Corporation. Gould ist eine Marke der Gould Electronics GmbH.