Simulation und Auslegung dynamischer Wechselstromsensoren auf Basis der Rogowski-Spule mit hoher Genauigkeit zur flexiblen Anwendung für Energienetze und andere elektrische Anlagen

Die derzeitige Energiewende und die damit verbundene Umstrukturierung im gesamten Energiekonzept macht es erforderlich, dass in den Bereichen der Strom-Erzeugung und der Infrastruktur wesentlich mehr und genauere Messdaten zur Abbildung des Systems in Bezug auf die Messung der elektrischen Größen Strom und Spannung bereitgestellt werden. Dabei stellt sich die Anforderung nicht nur in der exakten Aufnahme der elektrischen Größen bei der Netzfrequenz dar, sondern es besteht zunehmend das Interesse der genauen Abbildung in einer größeren Bandbreite. Daher ist es notwendig die Messtechnik zu erweitern bzw. zu ersetzen, die diese Anforderungen nicht ganzheitlich erfüllen kann, um die Ziele in Bezug auf ein stabiles Energienetz mit einer präzisen und zuverlässigen Sensorik umzusetzen.

Bereichsübergreifend bestehen ähnliche Anforderungen an die Strommessung in anderen elektrischen Anlagen. Neuartige Verfahren zur Prozessüberwachung bei elektrochemischen Vorgängen erfordern eine breitbandigere Messung von Strom und Spannung, um der Anforderung nach einer präzisen Bestimmung von prozessrelevanten Parametern gerecht zu werden. In diesem Bereich handelt es sich um hohe Gleichströme im Kiloamperebereich mit überlagerten Wechselanteilen der Gleichrichteranlagen.

Im Rahmen dieser Arbeit konnte ein flexibel einsetzbares Strommesssystem umgesetzt werden, welches in verschiedenen Einsatz-Bereichen die Anforderungen erfüllt. Um die Beurteilung der unterschiedlichen Spulenanordnungen zur Umsetzung der Rogowski-Spule bei gegebenen Bedingungen zu ermöglichen, wurden die notwendigen Versuchsanordnungen realisiert und optimiert. Im Verlauf der messtechnischen Analyse wurden drei Designvarianten umgesetzt, sodass sich innovative Spulen-Konstruktionen mit speziellen Eigenschaften für unterschiedliche Einsatz-Bereiche ergeben. Durch die Spezialisierung und Optimierung der Spulen-Konstruktionen können unterschiedliche Eigenschaften der Spulen für verschiedene Anwendungsbereiche genutzt werden. Im Hinblick auf die individuellen Ansätze wurden Ersatzschaltbilder weiterentwickelt und zur differenzierten Simulation verwendet. Prototypen der Stromsensoren konnten mit Hilfe der Erkenntnisse aus vielfältigen Simulationen in CONCEPT-II und SPICE, sowie der umfangreichen Messungen, optimiert, hergestellt und beim Einsatz im Energieverteilnetz, an großtechnischen Pilotelektrolyseanlagen und unter Laborbedingungen validiert werden.

Die Aufnahme und Abbildung des Stromes konnte in der geforderten Bandbreite und Genauigkeit umgesetzt werden, sodass die vorgestellten Stromsensoren zur innovativen Weiterentwicklung der genannten Fachgebiete genutzt werden können, um die Messtechnik an den erforderlichen Stellen zu ergänzen.

The current energy turnaround and the associated restructuring in the entire energy concept makes it necessary that in the areas of power generation and infrastructure, significantly more and more accurate measurement data is provided to map the system in terms of the measurement of the electrical quantities current and voltage. Thereby the requirement is not only the exact recording of the electrical quantities at the network frequency, but there is an increasing interest in the exact mapping in a wider bandwidth. Therefore, it is necessary to expand or replace the measurement technology, which cannot fulfill these requirements holistically, in order to implement the goals related to a stable power grid with precise and reliable sensor technology.

Across sectors, similar requirements exist for current measurement in other electrical systems. Novel processes for process monitoring in electrochemical operations require broaderband measurement of current and voltage to meet the requirement for precise determination of process-relevant parameters. In this field, high direct currents in the kiloampere range with superimposed alternating components of the rectifier systems are involved.

Within the scope of this work, a flexibly applicable current measurement system could be implemented, which fulfills the requirements in different application areas. In order to evaluate the different coil arrangements for the implementation of the Rogowski coil under given conditions, the necessary test arrangements were realized and optimized. In the course of the metrological analysis, three design variants were implemented, resulting in innovative coil designs with special properties for different application areas. By specializing and optimizing the coil designs, different properties of the coils can be used for different application areas. With regard to the individual approaches, equivalent circuit diagrams were further developed and used for differentiated simulation. Prototypes of the current sensors could be optimized, manufactured and validated when used in the power distribution network, on large-scale pilot electrolysis plants and under laboratory conditions with the help of the findings from diverse simulations in CONCEPT-II and SPICE, as well as the extensive measurements.

The recording and mapping of the current could be implemented in the required bandwidth and accuracy, so that the presented current sensors can be used for innovative further development of the mentioned fields to complement the measurement technology in the required places.

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