Präzise Messung hoher Stossspannungen, Systeme und Verfahren

Diss. ETH Nr. 12960
Präzise Messung hoher Stossspannungen,
Systeme und Verfahren
ABHANDLUNG
zur Erlangung des Titels eines
Doktors der Technischen Wissenschaften
der
EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE
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SOMCHAI YIMVUTHIKUL
Dip1.
geboren am 9. Juni 1956
von Bangkok, Thailand
Angenommen auf Antrag von
Prof. Dr. Kraus Fröhlich, Referent
Prof. Dr.-Ing. Waltet Zaengl, Korreferent (Leiter der Dissertation)
Prof. Dr-Ina. Dieter Kind, Korreferent
c.,
Zürich, 1998
Kurzfassung
Aktueller Anlass für die vorliegende Arbeit war namentlich die neue internationale
Vorschrift IEC 60-2/1994, die aufgrund der allzu gros sen Messfehler bei weltweit
durchgeführten Vergleichsmessungen hoher Stossspannungen revidiert wurde. Das Ziel
der Arbeit bestand darin, durch Vergleichsmessungen den Nachweis für eine möglichst
geringe Unsicherheit bei der Messung hoher Stossspannungen zu erbringen,
Der eigentlichen Arbeit liegt die in der Metrologie übliche Strategie der Rückführbarkeit
und der Einsatz herkömmlicher Messmethoden zu Grunde: Es wurden auf der Grundlage
von zwei bekannten Prinzipien (Ohmsche- und kapazitive Teiler) mehrere Spannungsteiler für Stossspannungen bis 500 kV gebaut und deren Übersetzungsverhältnis berechnet
Dieses wurde auf der Basis der theoretischen Spannungsteilung sowie der präzisen Einzelmessung der Widerstände und Kondensatoren bei Gleich- bzw, bei niederfrequenten
Wechse1spannungen ermittelt. Da die gemessenen Stossspannungen bei einem Vergleich
auch auf die Unsicherheit des Übersetzungsverhältnisses schliessen lassen, wurde das
errechnete Übersetzungsverhältnis den Vergleichsmessungen mit hohen Stossspannungen
zugrundegelegt. Auch die möglichen Umgebungseinflüsse auf das Übersetzungsverhältnis der konzipierten Messsysteme wurden durch umfangreiche Untersuchungen
nachgewiesen, Die ermittelten Schrittantwortparameter aller Messsysteme erfüllen die
Anforderungen der IEC 60-2/1994. Bei Vergleichsmessung wurde aber festgestellt, dass
die erzielbare Genauigkeit emes Vergleichs von der Art des angewandten
Messverfahrens abhängt. Soll ein Vergleichsverfahren eine Präzision mit Abweichungen
von geringer als 0, I % erzielen können, so genügt ein simultanes Verfahren nach lEC
60-2/1994 nicht. Es wurde daher ein neues Vergleichsverfahren entwickelt, mit dem
relative Abweichungen zwischen den Messsystemen von kleiner als 0, I % feststellbar
sind, Dies zeigte eine Unsicherheit der Amplituden-Mittelwerte stets innerhalb ±0.09 %
(bei 95%-Vertrauensniveau). Das neue Verfahren geht von der Verwendung nur eines
Oszillographen-Eingangs aus und basiert auf seriellen, d.h. zeitlich aufeinanderfolgenden
Messungen. Die Konsistenz der Messergebnisse wurde erfolgreich mittels der
statistischen Tests bestätigt.
Abstract
The essential motive for this work was tbe issue 01' the new international
recommendation lEC 60-2/1994, which was revised as a consequence 01' measuring
errors experienced in world-wide comparison measurements 01' high impulse voltages,
which were considered to be too great. The aim 01' the work is to establish the smallest
possible uncertainty in high impulse voltage measurements by the comparison method.
The actual work done is based on the strategy 01' traceability commonly used in
metrology and tbe application 01' conventional measuring methods: several voltage
dividers for impulse voltages up to 500 kV were designed and constructed on the basis
01' the two known principles (resistor and capacitor dividers) and their scale-factors were
accordingly derived, These were determined on the basis 01' the theoretical input/output
voltage-ratio as weIl as the precise individual measurement 01' the resistances and
capacitances in the high and low voltage arrns with direct- and low-frequency alternating
voltages. Since the impulse voltages measured also permit conclusions regarding the
uncertainty 01' the scale-factor, the derived scale-factor was taken as a basis in the
comparative measurements. In addition, the possible environmental influences on the
scale-factor of the measuring systems were extensively assessed. The response
parameters 01' the measuring systems fulfil the requirements defined in lEC 60-2/1994.
During comparative measurements it was noticecl that the achievable accuracy depends
on the measuring or data-acquisition procedure. If relative cleviations less than 0.1 % are
to be obtained, then a simultaneous procedure according to IEC 60-2/1994 is
insufficient. The best deviation achieved using such a procedure was only within ±l
Therefore a new proceclure was developed and introduced, which improved relative
cleviations to less than 0.]
giving an uncertainty in average crest-amplitudes within
±O.09
(95 % confidence level). The new procedure is based on the use of a single
oscilloscope channel and serial data-acquisition. Consistency of results was confirmed by
appropriate statistical tests.

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