SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut erbjuder högspännings impulstestning med Yokogawa DL850 ScopeCorder

Yokogawa DL850 ScopeCorder står i centrum för en testuppsättning som SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut tagit fram för att kunna erbjuda kalibrerings- och testtjänster med impulsspänningar, baserade på den internationella standarden IEC60060 för högspänningstest.

Högspänningsutrustning i kraftnätet löper stor risk att utsättas för transienta överspänningar orsakade av blixtnedslag. För att testa vilka möjligheter elektronisk utrustning har att överleva i dessa krävande miljöer föreskriver standarder som IEC60060 testning med en standardiserad, simulerad blixtöverspänning. Denna spänning definieras i IEC60060 som en idealisk, dubbelexponentiell vågform med en fronttid på 1,2 µs och en tid till halva värdet på 50 µs.

Vid verklig testning skapar impulsgeneratorn ofta en vågform som är distorderad av frontoscillationer med högre frekvens. Forskning har visar att dessa oscillationer har låg inverkan på testobjektets elektriska motståndskraft, och IEC60060 specificerar ett standardiserat filter som är anpassat till de experimentella resultaten. Filtret definieras som ett digitalt filter som används på digitaliserade mätdata.

Det finns tre viktiga parametrar att mäta upp hos en blixtimpuls: toppspänningen, fronttiden och tiden till halva värdet. Dessa måste mätas vid så höga spänningar som 1000 kV och mer. Testobjektet och högspänningsdelaren har avsevärda dimensioner - upp till 10 eller 20 m höga. Detta, tillsammans med kraven på en flat frekvensgång från DC ända upp i megahertzområdet, ställer avsevärda krav på såväl konstruktionen som kalibreringen av mätutrustningen.

IEC60060 kräver att testerna utförs med mätutrustning som har spårbar kalibrering. När det handlar om utrustningar för dessa spänningsnivåer är det som regel inte möjligt att transportera dem till ett kalibreringslaboratorium. Därför har SP utvecklat en testuppsättning, med DL850 som en integrerad del, som flyttar över kalibreringslaboratoriet till kunden.

Genom att ta med sig ett mycket noggrant referensmätsystem för spänningsnivåer upp till 500 kV till kunden skapar SP spårbarhet till internationellt erkända mätstandarder. Över 500 kV fastställs lineäriteten hos systemet med hjälp av andra metoder som är godkända i standarden.

Det första steget i testsystemet är en resistiv spänningsdelare. Skalfaktorn bestäms genom uppmätning av DC-resistansen, och den utökas sedan till megahertzområdet genom uppmätning av stegsvaret med hjälp av en speciell 200 V steggenerator och användande av konvolutionsmetoder. Kablarna, dämparna och termineringsmotståndet ingår också i mätsystemet, och resistansvärdena hos dessa används vid bestämning av skalfaktorn. Frekvensgången hos denna uppsättning är flat upp till åtminstone 500 MHz, vilket ger ytterst höga prestanda.

Den digitaliserare som tidigare användes på SP höll på att bli för gammal, och noggrannheten var inte längre tillräckligt hög. Minimikraven för en digitaliserare enligt IEC61083-1 är en samplingshastighet på 60 MS/s och 9 bitars upplösning. Dessa värden kan tyckas vara modesta för de flesta applikationer, där valet som regel står mellan hög samplingshastighet eller hög upplösning. Den kombination av medel/hög samplingshastighet och medel/hög upplösning som används i denna applikation är sällsynt.

När SP-teamet sökte efter en ersättare var en av kandidaterna Yokogawa DL850 ScopeCorder, och SP valde slutligen ett sådant instrument som konfigurerats för optimal noggrannhet för blixtimpulser. En viktig fördel hos detta instrument var möjligheten att styra alla viktiga arbetsparametrar från en dator.

DL850 ScopeCorder kalibrerades med hjälp av en tillförlitlig impulsspänningskalibrator utvecklad vid Helsingfors universitet av dr Jari Hällström. Detta gav ett fel hos toppspänningen under 0,4 % och hos tidparametrarna under 1.5 % för en 0,84/50 µs standardblixtimpuls. Detta ligger långt under kraven för applikationen, där specifikationen för referensmätsystemet kräver en expanderad osäkerhet på högst 1 % för toppspänningen och 5 % för tidparametrarna.

SP har utvecklat sin egen programvara för mätning av impulsspänningar, och denna användes både för att styra DL850 ScopeCorder och för att analysera resultaten. Analysdelen finns fritt tillgänglig på www.sp.se/lightning.

SP deltar i standardiseringsarbetet, och denna programvara har utgjort en viktig del i de "round robin"-test som använts för att få fram referensvärden i den kommande revisionen av IEC61083-2: krav på programvara för impulstest. Viktigt för SP är att man kan kontrollera alla aspekter av programvaran för att kunna garantera kvaliteten. Därför är det ännu viktigare att använda ett testinstrument som effektivt ger tillgång till uppmätta rådata. Det faktum att Yokogawa DL850 kommunicerar med standardprotokollet VISA var därför ännu ett starkt argument till dess fördel.

Yokogawa DL850 ScopeCorder är ett mångsidigt instrument som kombinerar fördelarna hos ett mycket snabbt oscilloskop och en traditionell datainsamlingsenhet i ett och samma portabla instrument.

Instrumentet klarar datainsamling med hög hastighet - upp till 100 megasampel per sekund - på upp till 128 kanaler, liksom att samla in data i realtid. Det har ett kraftfullt användargränssnitt och rikhaltiga möjligheter till PC-anslutning för ökad funktionalitet och enklare användning. En mycket viktig egenskap vid elektriska mätningar är den isolerade ingångsmodulen, som i kombination med 100 MS/s insamlingshastighet och 12-bits upplösning gör DL850 idealisk för mätningar som högspännings impulstestning.