Prüfung von Metalloxid-Varistoren für Hochspannung mit PXI und LabVIEW

Author(s):
Stephan Hoffarth - ABB Schweiz AG

Industry:
Energy/Power, ATE/Instrumentation

Products:
Modular Instruments, PXI/CompactPCI, LabVIEW

The Challenge:
Charakterisierung von Metalloxid-Varistoren für Überspannungsableiter in Mittel- und Hochspannungsnetzen zur elektrischen Energieversorgung

The Solution:
Aufbau eines PXI-basierten Messsystems mit dem Digitizer PXI-5122 (14 Bit, 100 MS/s) und der optischen Schnittstelle MXI-3 (galvanische Trennung zwischen Messsystem und PC) zur Bestimmung von Impulsparametern an Metalloxid-Varistoren nach IEC 60099-4

Die Herausforderungen bei der Prüfung von Varistoren

Um den stetig wachsenden Betriebssicherheitsanforderungen der Stromversorgungsunternehmen gerecht zu werden, entwickelt und produziert ABB Schweiz unter anderem Überspannungsableiter mit Luft- sowie SF6-Isolation. Diese schützen Mittel- und Hochspannungsnetze effektiv vor Überspannungen verursacht durch Blitzeinschläge oder Schaltvorgänge. Diese Überspannungsableiter besitzen Dauerbetriebsspannungen von bis zu 528 kV und überstehen Stromstöße von bis zu 100 kA (Wellenform von 4/10 μs). Aufgrund dieser extremen Einsatzbedingungen stellt die Prüfung von Überspannungsableitern und den darin enthaltenen Metalloxid-Varistoren eine große Herausforderung dar.

ABB Schweiz stellt Metalloxid-Varistoren mit Durchmessern von 38 mm bis 108 mm und Dauerbetriebsspannungen von 100 V bis 6 kV her. Um einen für höhere Spannungen geeigneten Überspannungsableiter herzustellen, werden mehrere dieser Metalloxid-Varistoren in Serie geschaltet, in einem Kunststoffkäfig zusammengespannt und anschließend mit Silikon umgossen. 

Für die Entwicklung neuer Metalloxid-Varistoren sowie zur Durchführung von Typenprüfungen setzen wir einen Impulsstromgenerator für Scheitelwerte von bis zu 200 kA (doppelexponentiell) ein. Mit diesen Impulsströmen wird das Verhalten der Metalloxid-Varistoren und der daraus aufgebauten Überspannungsableiter bei Blitzeinschlägen ins Netz oder bei Schaltvorgängen im Netz simuliert. Zu diesem Zweck wird der Spannungsverlauf über dem Metalloxid-Varistor und der Stromverlauf durch das Bauteil aufgezeichnet und ausgewertet. Bestimmt werden Scheitelwert, Anstiegs- und Rückenhalbwertzeit des Impulsstroms sowie der Maximalwert des Spannungsverlaufs, welcher der höchsten Restspannung des Metalloxid-Varistors entspricht. Diese Restspannung ist eine wichtige Größe bei der Charakterisierung und ist in erster Linie abhängig vom Scheitelwert des Impulsstromes sowie dessen Anstiegsgeschwindigkeit. Zusätzlich werden die momentane Leistung sowie die im Metaloxid-Varistor umgesetzte Energie während dem Impulsstrom berechnet. 

Hohe Auflösung für erhöhte Messgenauigkeit 

Um die im Bereich von kA bzw. kV liegenden Messgrößen auf ein für Messgeräte geeignetes Niveau zu reduzieren, setzen wir einen gedämpft kapazitiven Spannungsteiler sowie einen speziell niederohmigen, für schnelle Transienten ausgelegten Impulsstrommesswiderstand ein. An beiden Komponenten ist zur Erfassung des Spannungs- bzw. Stromverlaufs je ein Digitizer (PXI-5122, 14 Bit, 100 MS/s) angeschlossen. 

Die hohe vertikale Auflösung von 14 Bit bei einer gleichzeitigen Abtastrate von 100 MHz des Digitizers PXI-5122 erweist sich als sehr vorteilhaft bei der Bestimmung der für uns so wichtigen Scheitelwerte von Impulsstrom und Restspannung. 

Da unser altes Messsystem auf einem Digitizer mit 10-Bit vertikaler Auflösung basierte, konnten wir mit dem PXI-5122 unsere Messgenauigkeit entscheidend erhöhen und somit die Charakterisierung unserer Metalloxid-Varistoren deutlich verbessern. Die integrierten LabVIEW-Analysefunktionen wurden zur Ermittlung aller Impulsparameter eingesetzt. 

Hoher Datendurchsatz und Isolation mit der Glasfaserschnittstelle MXI-3 

Durch die Umstellung auf ein PXI-basiertes Messsystem können gegenüber dem alten auf GPIB basierendem System nun in der selben Zeit mehrere Megabyte an Stelle einiger Kilobyte übertragen werden. Die erheblich beschleunigte Datenerfassung ermöglicht neu das  Triggern eines Leistungsschalters mittels Digital-I/O-Karte PCIDIO-24 in weniger als 100 ms. Wir sind somit in der Lage, spezielle Typenprüfungen in Übereinstimmung mit den in der Norm IEC 60099-4 spezifizierten Zeiten durchzuführen. Bei der Erzeugung von Stromimpulsen mit Scheitelwerten von 100 kA und mehr sowie Anstiegszeiten im Bereich von wenigen μs entstehen starke elektromagnetische Impulsfelder, welche durch ihre spannungsinduzierende Wirkung empfindliche elektronische Systeme wie beispielsweise Computer stören oder auch beschädigen können. Im Extremfall kann selbst die Gefährdung der bedienenden Person nicht gänzlich ausgeschlossen werden. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit und zur Minimierung der Störeinflüsse wurden die beiden PXI-5122-Digitizer in getrennte PXI-1002-Chassis eingebaut. Zur optimalen galvanischen Trennung erfolgte die Speisung der Chassis über zwei spezielle Trenntransformatoren mit geringer Kopplungskapazität. Die Anbindung zur Datenübertragung untereinander sowie mit dem Computer selbst erfolgte über die optische Schnittstelle MXI-3 mittels Glasfaserkabel. Beide Chassis bzw. Digitizer sind somit nur über die entsprechenden Messleitungen geerdet. Dadurch werden Induktionsschleifen vermieden und Störeinflüsse erheblich reduziert. 

Durch die Umstellung unseres Systems auf LabVIEW 7 Express, die Schnittstelle MXI-3 und dem Digitizer PXI-5122 erhöhte sich sowohl die Messgenauigkeit wie auch die Betriebssicherheit der Prüfanlage. Aufgrund des hohen, durch PXI ermöglichten Datendurchsatzes können nun spezielle Typenprüfungen normkonform durchgeführt werden. 

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Stephan Hoffarth
ABB Schweiz AG
Wettingen

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