Diplomarbeit - Prof. Dr.-Ing. Kay Rethmeier

Diplomarbeit 

Kay Rethmeier 

Mat. Nr.: 15 30 66 

FACHBEREICH 12 

ELEKTROTECHNIK 

Institut für Elektrische 

Energietechnik 

Fachgebiet 

Hochspannungstechnik 

Simulation und messtechnische Überprüfung von 

Feldsensoren zur ortsselektiven TE-Messung an 

Hochspannungskabelgarnituren 

Betreuer: Dipl.-Ing. R. Heinrich 

Betreuender Hochschullehrer: Prof. Dr.-Ing. W. Kalkner 

Thema ausgegeben: 19.08.99 

Letzte Abgabe: 21.12.99

„Simulation und messtechnische Überprüfung von Feldsensoren zur ortsselektiven TE-Messung 

an Hochspannungskabelgarnituren“ – Diplomarbeit an der TU-Berlin / IEE 1999 

Die selbständige Anfertigung versichere ich an Eides Statt. 

Berlin, den 

_______________________ 

(Kay Rethmeier) 

K. Rethmeier Seite 2



Inhalt 

1 Einführung................................................................................................... 5 

1.1 Aufgabenstellung..................................................................................... 5 

1.2 Einschränkungen..................................................................................... 5 

2 Richtkoppler ................................................................................................ 6 

2.1 Richtkoppler zur TE-Messung an Hochspannungskabelgarnituren......... 7 

3 Teilentladungen (TE) .................................................................................. 9 

3.1 TE-Messtechnik..................................................................................... 11 

3.1.1 Konventionelle Messtechnik........................................................... 11 

3.1.2 Ortsselektive Messtechnik mit Richtkopplern ................................. 13 

4 Einschränkung der Richtschärfe durch Reflexionen ................................. 14 

4.1 Reflexionen auf dem Richtkoppler......................................................... 14 

4.1.1 Impedanztransformation................................................................. 18 

4.1.2 Anpassung ..................................................................................... 18 

4.1.2.1 Versuchsaufbau...................................................................... 21 

4.1.2.2 Gegenüberstellung der Oszillogramme................................... 25 

4.1.2.3 Gegenüberstellung der Messergebnisse ................................ 28 

4.2 Reflexionen an Muffen........................................................................... 36 

5 Verwendung von realen TE-Kalibratoren in der Simulation....................... 36 

6 Simulation des Richtkopplers.................................................................... 43 

6.1 Kabel als π-Glied ................................................................................... 43 

6.2 Koppler als π-Glied................................................................................ 45 

6.2.1 Fehlanpassung............................................................................... 46 

6.3 Berücksichtigung von Laufzeiten........................................................... 48 

6.3.1 Fehlanpassung............................................................................... 50 

6.4 Richtkoppler mit realem Wellenwiderstand............................................ 51 

6.4.1 Einfluss des Abschlusswiderstandes.............................................. 52 

6.5 Zusammenfassung................................................................................ 53 

7 TE-Kalibratoren......................................................................................... 54 

7.1 LDJ5...................................................................................................... 55 

7.2 PD CAL2A ............................................................................................. 57 

7.3 RH-3/6................................................................................................... 59 




7.4 RH-LCD 2.............................................................................................. 61 

7.5 Gegenüberstellung der Kalibratoren...................................................... 62 

8 Richtkoppler im Prüfeinsatz ...................................................................... 63 

8.1 Kabelprüfung am IPH ............................................................................ 63 

8.2 Steckerversuch am IPH......................................................................... 66 

8.2.1 Versuchsaufbau ............................................................................. 66 

8.2.2 Simulation ...................................................................................... 70 

8.2.2.1 Vorüberlegungen .................................................................... 70 

8.2.2.2 Schaltung des Versuchsaufbaus ............................................ 76 

9 Schlussbetrachtung .................................................................................. 79 

9.1 Ausblick ................................................................................................. 79 

10 Anhang...................................................................................................... 80 

10.1 Quellcode TEK2TXT.EXE.................................................................. 80 

10.2 Literatur.............................................................................................. 84 




1 Einführung 

1.1 Aufgabenstellung 

In dieser Arbeit werden Vorgänge und Probleme bei der TE-Messung an 

Hochspannungskabelgarnituren unter Verwendung von Richtkopplersensoren 

zur ortsselektiven Auskopplung von TE-Impulsen untersucht. 

Besondere Aufmerksamkeit gilt hierbei der Modellbildung von 

Problemstellungen, so dass diese einer Rechnersimulation zugänglich werden. 

In Versuch und Simulation wird dann versucht, eine Verbesserung der 

Richtschärfe eines Kopplers durch impedanzrichtige Anpassung an den 

Kopplerausgängen nachzuweisen. 

1.2 Einschränkungen 

Um den Aufwand der Untersuchungen in Grenzen zu halten, wurden diverse 

Vereinfachungen vorgenommen, die sich jedoch auf eine grundsätzliche 

Betrachtung der Problemstellungen nicht negativ auswirken. 

Der mehrschichtige Aufbau eines Hochspannungskabels mit Leiter, innerer 

Leitschicht, Isolierung, äußerer Leitschicht und Schirm wurde auf das Modell 

„Leiter-Isolierung-Schirm“ reduziert. 

Alle Bauteile wurden als verlustlos angenommen. 

Reale geometrische Abmessungen und damit verbundene Bauteilgrößen 

wurden in den seltensten Fällen beachtet, der grundlegende Einfluss von 

verschiedenen Effekten stand hier im Vordergrund. 

Als Summe dieser Einschränkungen konnte dementsprechend kein exakter 

Vergleich von Simulation und Messung vorgenommen werden, die 

beabsichtigten Effekte sind aber in beiden Fällen voneinander getrennt zu 

erkennen. 




2 Richtkoppler 

Richtkoppler sind passive reziproke Bauelemente, die es ermöglichen, Signale 

in ihre Richtungsanteile aufzuspalten. In der einfachsten Form kann ein 

Richtkoppler als Viertor dargestellt werden, in dem ein Tor isoliert ist. Alle in 

dieser Arbeit beschriebenen Richtkoppler gehören zu der Familie der 

Rückwärtskoppler, bei denen das Signal in Gegenrichtung ausgekoppelt wird. 

Das Prinzip lässt sich durch die vereinfachte Darstellung in Abbildung 2-1 mit 

diskreten Bauelementen erläutern. 

Abb. 2-1: Funktionsprinzip Rückwärtskoppler 

Ein Signal auf Leitung 1, hier in Form des Stromes I dargestellt, bewirkt durch 

eine kapazitive Verkopplung die Ströme Ic, sowie durch eine induktive 

Verkopplung den Strom Im auf Leitung 2. Auf der signalzugewandten Seite 

addieren sich die überkoppelten Ströme konstruktiv, auf der signalabgewandten 

Seite überlagern sich diese destruktiv, idealerweise löschen sie sich sogar 

vollständig aus. Anhand der Spannungen an den Abschlusswiderständen von 

Leitung 2 kann nun die Richtung des Signals auf Leitung 1 bestimmt werden. 

Das Verhältnis der beiden Ausgangsspannungen auf Leitung 2 wird als 

Richtverhältnis bezeichnet und ist ein Maß für die Güte des Richtkopplers. Ein 

sehr hohes Richtverhältnis wird erzielt, wenn beide Leitungen den gleichen 

Wellenwiderstand besitzen und mit diesem an ihren Enden abgeschlossen sind. 

Prinzipiell müssen die durch die Verkopplung entstehenden Ströme gleich groß 

sein, was zu einem idealen Verhältnis zwischen Koppelinduktivität und 

Koppelkapazität führt. Diese Idealbedingung gilt aber wiederum nur für eine 

bestimmte Frequenz. Bei der Betrachtung von Impulsen auf Leitungen kann es 




somit keine ideale Kopplung geben. Leider ist dieses aber der Normalfall beim 

Einsatz der Richtkoppler zur Messung von TE-Impulsen. So gilt es, durch eine 

geschickte Auswahl der Kopplergeometrie eine zufriedenstellende Lösung zu 

finden. 

Eine genaue Beschreibung von Richtkopplern findet sich in [1] [2] [3]. 

2.1 Richtkoppler zur TE-Messung an 

Hochspannungskabelgarnituren 

Zur Messung von TE-Impulsen auf Hochspannungskabelgarnituren hat sich ein 

spezieller Aufbau als vorteilhaft erwiesen. 

Auf die äußere Leitschicht und unter den Schirm des koaxialen 

Hochspannungskabels wird über einen kleinen Bereich (meist ein rechteckiges 

Mantelsegment) ein leitfähiger Belag isoliert aufgebracht. Dieser bildet dann 

zusammen mit dem äußeren Schirm des Hochspannungskabels eine 

Streifenleitung, an die wiederum koaxiale Messleitungen angebracht werden 

können. 




Abb. 2-2: Schnittansicht Hochspannungskabel mit Richtkoppler 

Der Schirm ist aus Gründen der Übersichtlichkeit extrem groß gezeichnet. 

Abb. 2-3: Seitenansicht Hochspannungskabel mit Richtkoppler 

Im Bereich dieses Eingriffes können nun magnetische Feldlinien durch die 

Streifenleitung greifen, was einer induktiven Kopplung entspricht. Analog dazu 

treffen elektrische Feldlinien auf die Kopplerfläche, was ebenso zu einer 

kapazitiven Kopplung führt. Durch die Variation der Kopplerfläche und durch die 

Veränderung des Abstandes zum äußeren Schirm des Hochspannungskabels 

kann das Ausmaß der Kopplungen festgelegt werden. Ebenso stellt sich 

hierdurch der Wellenwiderstand der Streifenleitung ein. 




3 Teilentladungen (TE) 

Teilentladungen sind kurzzeitige, energiearme, lokal eng begrenzte 

Zusammenbrüche der Isolierung, die nicht sofort zu einem Durchschlag führen. 

Bei Hochspannungskabeln mit Feststoffisolierung sind besonders innere TE 

von Bedeutung, da diese das Isolationsmedium irreversibel schädigen. Hier 

sind meist Hohlräume oder Fremdeinschlüsse für TE verantwortlich, da diese 

zu lokalen Feldstärkeerhöhungen oder zu lokalen Minderungen der elektrischen 

Festigkeit führen. 

Eine ausführliche Beschreibung der Teilentladungsproblematik ist der Literatur 

zu entnehmen [4] [5] [6], im weiteren Verlauf werden nur für VPE- 

Kabelgarnituren relevante Aspekte behandelt. 

Wiederholte TE führen zwangsläufig zum vollständigen Durchschlag und damit 

zu einer drastischen Reduzierung der Lebensdauer von Betriebsmitteln. Sie 

sind daher in allen Betriebszuständen auf Dauer zu vermeiden. Wegen der zur 

Zeit noch nicht abschließend harmonisierten Prüfvorschriften (DIN VDE 0276, 

DIN EN 60811, DIN VDE 0473 Teil 811, ...) gilt jedoch weiterhin die DIN VDE 

276-620, welche bei einer anzulegenden Spannung von 2U0 einen TE-Pegel 

von



oder durch eine zerstörende Spannungsbeaufschlagung, die mögliche 

Fehlstellen innerhalb der Isolierung zum vollständigen Durchschlag bringt. 

Ein weiteres Indiz gegen einen definierten pC-Grenzwert ist der nicht eindeutig 

nachvollziehbare Zusammenhang zwischen scheinbarer Ladung qs und dem 

eigentlichen Ladungsumsatz q in der Fehlerstelle selbst. Dieser ist einzig vom 

Verhältnis der Teilkapazitäten im Bereich der Fehlerstelle abhängig, die 

wiederum von den geometrischen Eigenschaften des Kabels und der 

Fehlerstelle abhängen (s. Abb. 3-1). 

Abb. 3-1: Ersatzschaltbild für Hohlraum mit Teilentladung, mit: 

C1 Hohlraumkapazität 

C2 Serienkapazitäten 

C3 Parallelkapazität 

R Lichtbogenwiderstand der Entladung 

F Funkenstrecke 

Der einleuchtende und rechnerisch richtige Ansatz 

C 

2 

qs = q ⋅ 

(Gl. 3-1) 

C 

1 

kann also aufgrund des unbekannten Kapazitätsverhältnisses nie zu einer 

Ladungsbestimmung am Fehlerort selbst führen, und nur diese Ladung ist 

wegen ihres Energieumsatzes ein Maß für die Schädigung des Kabels. 

Besonders einleuchtend wird diese Problematik bei einem Vergleich zwischen 

einem 20kV-Kabel und einem 100kV-Kabel. Bei einer gleichen scheinbaren 

Ladung qs von 2pC ergibt sich für das 100kV-Kabel aufgrund der größeren 




Wanddicke eine erheblich energieintensivere Entladung am Fehlerort als beim 

20kV-Kabel. 

Trotz alledem kann ein erfahrener Prüfingenieur natürlich den gemessenen pC- 

Wert unter Berücksichtigung des Aufbaus und anderer Begleitumstände so 

interpretieren, dass eine bewertende Aussage über den Fehler und sein 

Zerstörungspotential möglich ist. 

3.1 TE-Messtechnik 

Das allgemeine Verfahren zur Messung von TE wird in den Vorschriften DIN 

VDE 0434 und 0472 beschrieben. 

3.1.1 Konventionelle Messtechnik 

Bei der klassischen TE-Messung werden ein Koppelkondensator Ck und ein 

Auskoppelvierpol ZA in Reihe verschaltet und parallel zum Prüfobjekt 

angeschlossen (s. Abb. 3-2, weitere Schaltungen in DIN VDE 0472 Teil 513). 

Abb. 3-2: TE-Messkreis 

Vorteilhaft ist hier die Verschaltung des Prüflings Cp auf Erdpotential, wie es 

z. B. bei verlegten Kabeln gar nicht anders möglich ist. 




Im Falle von TE innerhalb des Prüflings bricht die Hohlraumkapazität C1 

zusammen (s. Abb. 3-1). Diese wird dann durch die Koppelkapazität CK 

nachgeladen (die Spannungsquelle ist durch Z hochfrequenzmäßig entkoppelt). 

Dieser Strom fließt auch durch die Messimpedanz ZA, wo er mittels Filter 

ausgekoppelt werden kann. Die aus diesem Strom abgeleitete Ladung qm 

erlaubt nun eine Aussage über die Teilentladung: 

q 

C 

K 

m = qs 

⋅ 

(Gl. 3-2) 

C K + C P 

Gleichung 3-2 und Abbildung 3-3 verdeutlichen die Forderung nach einer 

großen Koppelkapazität CK, da die Messempfindlichkeit direkt von deren Größe 

abhängt. 

q M / q S 

1,000 

0,750 

0,500 

0,250 

0,000 

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 

C K / C P 

Abb. 3-3: Verhältnis messbare zu scheinbarer Ladung in Abhängigkeit der Koppelkapazität 

TE-freie Koppelkondensatoren in der Größenordnung der Kapazität einer 

Kabellänge sind jedoch wirtschaftlich nicht tragbar oder nicht herstellbar (Vgl. 

z. B. Kaiser Kabel 64/110kV N2XS(FL)2Y mit C‘ = 150nF/km), was zu einer 

erheblichen Verschlechterung der Messgenauigkeit führt. 




3.1.2 Ortsselektive Messtechnik mit Richtkopplern 

Beim Einsatz von ortsselektiven Richtkopplersensoren werden die TE-Impulse 

direkt gemessen, der Umweg über einen Koppelkondensator entfällt. 

Die Sensoren werden auf die freigelegte äußere Leitschicht des Kabels in die 

Nähe von potentiellen Fehlerstellen wie z. B. Muffen oder Endverschlüsse 

aufgebracht. Der erhöhte Aufwand durch die Benutzung von mehreren 

Sensoren bietet hierbei die Möglichkeit, einen Fehler in unmittelbarer Nähe zum 

Auskopplungsort untersuchen zu können, eine Signalabschwächung durch 

lange Laufwege über das Kabel oder durch Brechungen an Muffen (Änderung 

des Wellenwiderstandes) ist somit minimal. 

Ein typischer Versuchsaufbau zur TE-Messung an einer Verbindungsmuffe ist 

in Abbildung 3-4 gezeigt. 

Abb. 3-4: Versuchsaufbau zur ortsselektiven TE-Messung 

Hierbei wird jeweils ein Sensor vor und hinter der Muffe auf die äußere 

Leitschicht des Kabels aufgebracht. Durch eine Auswertung der vier Kanäle 

kann eine Aussage über den Fehler in Bezug auf Richtung, Position und nach 

erfolgter Kalibrierung auch über dessen Ladung gemacht werden (s. 

8.1 Kabelprüfung am IPH). 




4 Einschränkung der Richtschärfe durch 

Reflexionen 

4.1 Reflexionen auf dem Richtkoppler 

Der Wellenwiderstand der untersuchten Richtkoppler lag je nach geometrischer 

Dimensionierung zwischen 4Ω und 20Ω. Der Anschluss an die Messtechnik 

erfolgt jedoch mit konventionellen 50Ω-Leitungen, was nach Gl. 4-1 z. B. für 

einen 8Ω-Koppler zu einer Reflexion der Spannungswelle mit dem Faktor 0,724 

führt. 

Z 

Z 

2 

− Z 

2 1 

ru = (Gl. 4-1) 

+ Z 

1 

Bei einer angenommenen Ausbreitungsgeschwindigkeit von 2/3 c0 legt diese 

Reflexion die Strecke auf dem Richtkoppler zum anderen Tor innerhalb einer 

Nanosekunde zurück (1,5ns bei 30cm Kopplerlänge). Selbst bei idealen 

Richtverhältnissen ist also auch am sperrenden Tor innerhalb des zu 

beobachtenden Zeitfensters ein Signal zu messen, die Richtschärfe wird sehr 

gering. 

Die Reflexionen können mit einem TDR (hier: Tektronix 1502C) im Zeitbereich 

gemessen werden. Hierzu wird ein Rechtecksprung über eine 50Ω- 

Koaxialleitung auf einen Richtkopplerausgang gegeben, der zweite 

Richtkopplerausgang ist mit einem weiteren 50Ω-Koaxkabel belastet. In PSpice 

wird der Aufbau wie folgt simuliert: 




Abb. 4-1: Aufbau zur Simulation von Reflexionen auf dem Koppler 

Wie beim realen TDR wird der Zeitverlauf an den Klemmen des Gerätes 

betrachtet. 

Abb. 4-2: Simulationsergebnis 

Es ergeben sich scharfkantige Treppenstrukturen durch Mehrfachreflexionen, 

die sich aus Signallaufzeit auf der Leitung bzw. dem Koppler und den 

Reflexionsfaktoren der jeweiligen Sprungstellen ermitteln lassen. 

Zur Verbesserung dieses Reflexionsverhaltens wurde in [9] eine Abschrägung 

der Richtkopplerkanten nach Abbildung 4-3 vorgeschlagen. 




Abb. 4-3: Abschrägung der aktiven Richtkopplerfläche 

Für den Wellenwiderstand des Kopplers bedeutet dies eine stetige Erhöhung, 

bestenfalls bis auf 50Ω direkt vor dem Anschlusspunkt der zugehörigen 

Messleitung, also eine „Anpassung“. Dieser Ansatz darf aber nicht darüber 

hinwegtäuschen, dass letztlich der beschriebene Übergang im 

Wellenwiderstand, hier von 8Ω auf 50Ω, grundsätzlich vorhanden ist. Die 

Sprungstelle wird lediglich durch einen kontinuierlichen Übergang geglättet. Der 

reflektierte Anteil bleibt also, wenn auch in anderer Form, erhalten und 

verringert weiterhin die Richtschärfe der Anordnung. 

Zur Verdeutlichung wurde die Abschrägung der Kopplerfläche durch diskrete 

Leitungsstücke mit steigendem Wellenwiderstand nachgebildet. 

Abb. 4-4: Aufbau zur Simulation von Reflexionen auf dem angeschrägten Koppler 

Abb. 4-4 zeigt die rechte Hälfte des Aufbaus, die linke Hälfte wurde aus 

Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt, ist aber zum gezeigten Aufbau bis 

auf das TDR identisch. Die Anschrägung des Kopplers wurde hier durch drei 

Leitungsstücke mit steigendem Wellenwiderstand nachgebildet, was für eine 

grundsätzliche Betrachtung ausreicht. 

Im Simulationsergebnis sind nun die scharfkantigen Treppenstrukturen 

verschwunden. Der Übergang erfolgt kontinuierlicher. 




Abb. 4-5: Simulationsergebnis Koppler mit Anschrägung 

Eine Erhöhung der Anzahl der verwendeten Leitungsstücke in der Simulation 

führt zu einer weiteren Glättung der Kurve. 

Der Vergleich der Abbildungen 4-2 und 4-5 bekräftigt die vorangestellten 

Ausführungen, grundsätzlich ändert sich nichts am Reflexionsverhalten des 

Kopplers. In beiden Fällen sinkt der Spannungswert nach der 50Ω-Leitung auf 

ca. 100mV ab, um dann in vergleichbarer Zeit wieder auf den Endwert von 

500mV anzusteigen. Die Glättung der Reflexionskurve bringt für die 

angestrebte Verbesserung der Richtschärfe keine positive Änderung. 

Vergleichende Messungen mit dem TDR führten zu dem Problem, dass eine 

klare Treppenstruktur in keinem Fall dargestellt werden konnte. Das Gerät 

wurde durch die vielfachen Reflexionen so beeinflusst, dass nach dem ersten 

Widerstandsprung von 50Ω auf 8Ω keine scharfen Kanten mehr übertragen 

wurden. Da das Prinzip jedoch klar ist, wurde auf eine verbesserte Messung mit 

dem TDR verzichtet. 




4.1.1 Impedanztransformation 

Aufbau und Funktion von Positiv-Impedanz-Invertern (PII) sind in [3] 

beschrieben. 

Durch ein passives Netzwerk kann in einem schmalbandigen Bereich eine 

Impedanz beliebig transformiert werden. 

Eine Simulation mit einer Sprungfunktion (TDR) ergab jedoch keine 

Verbesserung. 

4.1.2 Anpassung 

Ein Verschwinden aller Reflexionen ergibt sich bei optimaler Anpassung der 

Messleitung an den Koppler. 

Da jedoch Messleitungen mit einem so geringen Wellenwiderstand nicht 

erhältlich oder teuere Sonderanfertigungen sind, bleibt die Reduzierung der 

gegebenen 50Ω auf niedrigere Werte durch Parallelschaltung von zusätzlichen 

Impedanzen. 

Abb. 4-6: Aufbau zur Parallelschaltung zusätzlicher Impedanzen 

Der so reduzierte Belastungswiderstand am Richtkopplerausgang führt jedoch 

auch zu einer Verringerung der nutzbaren Signalspannung (z. B. 8Ω zu 50Ω => 

Faktor 0,86 ; bei Anpassung => Faktor 0,5), was Probleme bei niedrigen TE- 

Pegeln verursachen kann. 




Abb. 4-7: Vergleich der Ausgangsspannungen 

Diese Vorüberlegungen zeigen schon, dass es für jede Problemstellung eine 

gesonderte Lösung geben kann, ein Optimum zwischen maximaler 

Signalspannung und maximaler Richtschärfe ist abhängig von der Gewichtung 

der Teilaspekte durch den Prüfingenieur und damit als universelles Ziel nicht 

sinnvoll. 

Die beiden folgenden Abbildungen geben einen ersten Eindruck über die zu 

erzielenden Ergebnisse. 




Abb. 4-8: Oszillogramm Richtkoppler 30cm Länge, 14cm Breite, 1mm PE 

Abb. 4-9: Oszillogramm, Richtkoppler wie oben, 4,6Ω parallelgeschaltet 

Im hier dargestellten Fall wurde die Richtschärfe von 1:1,30 auf 1:2,36 

verbessert, die Maximalspannung des auskoppelnden Ausganges reduzierte 

sich dabei jedoch von 165mV auf 113mV. 




4.1.2.1 Versuchsaufbau 

Zur Untersuchung des Einflusses von ohmschen Anpassungswiderständen zu 

Beginn der Messleitungen auf dem Koppler wurde ein Kabel der Firma 

SIEMENS verwendet (64/110kV). 

Abb. 4-10: Kabelprüfling 

Der Schirm wurde auf einer Länge von 35cm entfernt, so dass ein 

Richtkopplersensor mit einer Länge von 30cm auf die äußere Leitschicht 

gebracht werden konnte. Die Breite des Sensors wurde in kleinen Schritten von 

22cm auf 10cm reduziert. Die PE-Dicke wurde in allen Fällen zwischen 1mm 

und 4mm variiert, die Breite der PE-Platten wurde bei allen Messungen nicht 

verändert, das Kabel wurde in allen Fällen immer vollständig von den PE- 

Platten umschlossen. 




Abb. 4-11: Einbau der PE-Platten 

Die ohmschen Anpassungswiderstände wurden auf beiden Seiten des Kopplers 

jeweils paarweise parallel zum Anschluss der Messleitungen zwischen 

Kopplerfläche und Schirm gelötet. 

Abb. 4-12: Position der Anpassungswiderstände 

Zur TE-Messung wurde ein Impuls von 150pC (Kalibrator RH-LCD 2) in das 

Energiekabel eingespeist und von den beiden Ausgängen des Richtkopplers 

über 50Ω-Leitungen einem breitbandigen Oszilloskop zugeführt. 




Abb. 4-13: Messung der Richtschärfe 

Die Messung des Wellenwiderstandes des Kopplers erfolgte in einem 

gesonderten Schritt mit dem TDR über eine der beiden 50Ω-Messleitungen. 

Abb. 4-14: Bestimmung des Wellenwiderstandes mit dem TDR 

In dieser Weise wurde auch der reflexionsfreie Abschluss an einer Kopplerseite 

überprüft, bevor die zweite Seite auf gleiche Art angepasst wurde. 




Der vollständige Versuchsablauf ist in folgendem Diagramm beschrieben: 

Neue Kopplerbreite 

Wellenwiderstand des Kopplers mit TDR messen 

Neue PE-Dicke 

Impulse am Oszilloskop messen 

Abschlusswiderstand auf der 1. Seite des Kopplers auflöten 

Anpassung mit TDR überprüfen 

Abschlusswiderstand auf der 2. Seite des Kopplers auflöten 

Impulse am Oszilloskop messen 

Abschlusswiderstände entfernen 

Abb. 4-15: Versuchsablauf 

22cm-10cm 

1mm–4mm 




4.1.2.2 Gegenüberstellung der Oszillogramme 

Ohne Parallelwiderstand Mit Parallelwiderstand 

RK 14cm, 1mm PE 

14/2 

14/3 

4,6Ω parallel 

8,4Ω 

9,8Ω 

14/4 9,8Ω 




18/1 

18/2 

18/3 

18/4 

4,8Ω 

6,8Ω 

8,5Ω 

9,8Ω 




22/1 

22/2 

22/3 

22/4 

5,0Ω 

7,0Ω 

7,0 

7,3Ω 




4.1.2.3 Gegenüberstellung der Messergebnisse 

Die aus den Oszillogrammen zu entnehmenden Daten sind im folgenden 

tabellarisch zusammengefasst: 

Breite 

[m] 

PE 

[mm] 

Nah 

[mV] 

Fern 

[mV] 

Verhältnis 

1 zu 

ZKoppler 

[Ω] 

benötigt 

parallel 

[Ω] 

0,22 1 202 149 1,36 4,5 4,95 

2 268 146 1,84 5,8 6,56 

3 294 120 2,45 6,2 7,08 

4 330 106 3,11 6,8 7,87 

0,18 1 188 137 1,37 4,6 5,07 

2 280 170 1,65 6 6,82 

3 300 150 2,00 7,4 8,69 

4 342 140 2,44 8,1 9,67 

0,14 1 165 127 1,30 4,5 4,95 

2 256 149 1,72 7 8,14 

3 282 132 2,14 8,7 10,53 

4 383 133 2,88 8,8 10,68 

Tabelle 4-1: Messergebnisse ohne Parallelwiderstand 




Breite PE Nah Fern Verhältnis hat parallel 

[m] [mm] [mV] [mV] 1 zu [Ω] 

0,22 1 94 76 1,24 5,00 

2 132 56 2,36 7 

3 162 36 4,50 7 

4 170 39 4,36 7,8 

0,18 1 105 40 2,63 4,8 

2 141 64 2,20 6,8 

3 167 68 2,46 8,5 

4 208 60 3,47 9,8 

0,14 1 113 46 2,46 4,6 

2 147 57 2,58 8,4 

3 186 58 3,21 9,8 

4 178 48 3,71 9,8 

Tabelle 4-2: Messergebnisse mit Parallelwiderstand 

Anmerkung: Die Spannungswerte für den nahen und fernen Richtkopplerausgang 

wurden stets positiv gesetzt. Als Maximalwert wurde jeweils das erste lokale Maximum 

gewählt. Abweichend hiervon bewertet eine automatische Messerfassung den 

Maximalwert unter Umständen anders, da die S&H-Schaltung über einen längeren 

Zeitbereich an der Signalspannung anliegt, also nicht unbedingt das erste lokale 

Maximum ermittelt. Die Herannahme des ersten Maximums scheint mir jedoch unter 

der Voraussetzung einer grundlegenden Betrachtung als richtig, die S&H-Problematik 

für kurze Zeiträume soll nicht Gegenstand meiner Betrachtung sein. 

Zur Bewertung dieser Ergebnisse können die Werte in verschiedenster Form 

zueinander in Beziehung gesetzt werden. Abbildung 4-16 verdeutlicht den 

Gewinn an Richtschärfe in allen Fällen (bis auf die ohnehin ungünstige 

Konfiguration 22cm Kopplerbreite / 1mm PE, im weiteren Verlauf bezeichnet mit 

„22/1“). 




Richtverhältnis 1 zu 

4,50 

4,00 

3,50 

3,00 

2,50 

2,00 

1,50 

1,00 

0,50 

0,00 

0,22/1 0,22/2 0,22/3 0,22/4 

Vergleich Richtverhältnis 

0,18/1 

0,18/2 

0,18/3 

Geometrie Richtkoppler 

Abb. 4-16: Vergleich Richtverhältnis, vorne: ohne Parallelwiderstand, hinten: mit 

Parallelwiderstand 

Unabhängig von der Frage der Anpassung auf dem Koppler ist deutlich zu 

erkennen, dass eine steigende PE-Dicke einen kontinuierlichen Zuwachs an 

Richtschärfe bewirkt. Die generelle Problematik der Abstimmung eines 

Richtkopplersensors auf ein spezielles Energiekabel ist u. a. in [9] beschrieben. 

In Abbildung 4-17 ist der Gewinn des Richtverhältnisses des Kopplers mit 

Parallelwiderstand im Verhältnis zum nicht angepassten Koppler dargestellt. 

K. Rethmeier Seite 30 

0,18/4 

0,14/1 

0,14/2 

0,14/3 

0,14/4



Verbesserung um Faktor 

2,50 

2,00 

1,50 

1,00 

0,50 

0,00 

Verbesserung des Richtverhältnisses 

0,22/1 0,22/2 0,22/3 0,22/4 0,18/1 0,18/2 0,18/3 0,18/4 0,14/1 0,14/2 0,14/3 0,14/4 


Abb. 4-17: Verbesserungsfaktor des Richtverhältnisses 

Wie schon in Abbildung 4-16 zu erkennen, ist bis auf die Konfiguration 22/1 in 

jedem Fall eine Verbesserung des Richtverhältnisses eingetreten. Eine 

einfache Systematik bei der Verbesserung ist dem Diagramm jedoch nicht zu 

entnehmen. Es treten drei ungefähr gleichwertige Maxima bei den 

Kopplerkonfigurationen 22/3, 18/1 und 14/1 auf. Prinzipiell erscheint es 

einleuchtend, dass die Verbesserung dort groß ist, wo ohne Parallelwiderstand 

ein schlechtes Richtverhältnis aufgetreten ist, also in allen Fällen mit 1mm PE- 

Dicke (die Konfiguration 22/1 wird somit zur „universellen Ausnahme“ dieser 

Messreihe erklärt). 

Besondere Beachtung ist der Konfiguration 22/3 zu schenken. Hier wird das 

beste Richtverhältnis von 1:4,50 erzielt. Der Gewinn an Richtverhältnis durch 

den Parallelwiderstand liegt in der Gruppe der drei beschriebenen Maxima, so 

dass behauptet werden kann, dass hier eine erhebliche Verbesserung des 

Kopplers erreicht wurde. 

Negativ wirkt sich jedoch in allen Fällen der schon erklärte Verlust an nutzbarer 

Spannungshöhe aus, wie in Abbildung 4-18 zu erkennen ist. 




Spannung [mV] 

400 

350 

300 

250 

200 

150 

100 

50 

0 

0,22/1 

0,22/2 

0,22/3 

0,22/4 

Vergleich der Nutzspannungen 

0,18/1 

0,18/2 

0,18/3 


Abb. 4-18: Nutzbare Signalspannung am Kopplerausgang in Detektionsrichtung 

vorne: Spannung mit Parallelwiderstand, hinten: Spannung ohne Parallelwiderstand 

Analog zu Abbildung 4-17 werden in Abbildung 4-19 beide Spannungen 

aufeinander bezogen. 

Verschlechterung um Faktor 

2,50 

2,00 

1,50 

1,00 

0,50 

0,00 

0,18/4 

Verringerung der Nutzspannung 

0,22/1 0,22/2 0,22/3 0,22/4 0,18/1 0,18/2 0,18/3 0,18/4 0,14/1 0,14/2 0,14/3 0,14/4 


0,14/1 

0,14/2 

Abb. 4-19: Verringerung der Nutzspannung 


0,14/3 

0,14/4



Bei Abschluss des Kopplers mit einem Parallelwiderstand ist eine 

Verschlechterung um den Faktor 1,5 bis 2 typisch. Ohne Abschlusswiderstand 

liegt nahezu die volle Signalspannung an der 50Ω-Leitung und damit am 

angeschlossenen Messgerät an, bei Anpassung reduziert sich der Wert auf die 

Hälfte. Die schon angegebene Begründung durch die Veränderung des 

entstehenden Spannungsteilers deckt sich also mit den gemessenen Werten, 

wie auch Abbildung 4-20 aufzeigt. 

Verschlechterung um Faktor 

2,50 

2,00 

1,50 

1,00 

0,50 

0,00 

0,22/1 

0,22/2 

0,22/3 

Reduzierung der Signalspannung 

0,22/4 

0,18/1 

0,18/2 

0,18/3 


Abb. 4-20: Verringerung der Nutzspannung, vorne: gemessen wie Abb. 4-19, hinten: berechnet 

Um positive und negative Aspekte des Abschlusswiderstandes abzuwägen, 

müssen der Gewinn an Richtverhältnis und der Verlust an Signalspannung 

miteinander mathematisch verknüpft werden. Hierzu schlage ich einen 

allgemeinen Ansatz für die Verbesserung V 

X 

A 

V = (Gl. 4-2) 

B 


0,18/4 

0,14/1 

0,14/2 

0,14/3 

0,14/4



vor, in dem je nach Anforderung an die Messung die Gewichtung individuell 

vorgenommen werden kann. Der Faktor A entspricht hierbei dem 

Verbesserungsfaktor des Richtverhältnisses aus Abbildung 4-17, der Faktor B 

entspricht dem Verschlechterungsfaktor der Nutzspannung aus Abbildung 4-19. 

Der Exponent X gewichtet den Einfluss der beiden Faktoren. 

Bei Messbedingungen, bei denen es auf eine große nutzbare Signalspannung 

ankommt, wird der Exponent kleiner 1. Dies kann z. B. bei Messungen mit 

geringem TE-Pegel der Fall sein, bei denen die Fehlerstelle trotz eines geringen 

Richtverhältnisses eindeutig zu orten ist. 

Als Beispiel sei eine Kabelstrecke mit mehreren Muffen genannt. Alle Muffen 

besitzen Richtkopplersensoren. Eine Muffe habe geringfügige TE. Die Koppler 

an dieser Muffe sprechen mit geringer Richtschärfe an, alle anderen Koppler 

messen aufgrund der Signaldämpfung des Kabels keine TE. 

Im Gegensatz dazu wird ein besonders hoher Anspruch an das Richtverhältnis 

bei Stückprüfungen von Muffen gefordert, wie es im Kapitel 8.1 Kabelprüfung 

am IPH beschrieben ist. 

Hier sind mehrere Muffen durch sehr kurze Kabelstücke miteinander 

verbunden, so dass eine mögliche Signaldämpfung nicht wirksam wird. Bei TE 

innerhalb einer Muffe muss also durch Richtungsselektivität ein Hinweis auf die 

Fehlerstelle erfolgen können. Bei automatisierten Auswerteeinheiten ist hier ein 

Richtverhältnis von mindestens 1:3 anzustreben. 

Tabelle 4-3 gibt einen Eindruck über den Einfluss des Exponenten X aus 

Gleichung 4-2. Werte größer als 1 bezeichnen eine Verbesserung durch die 

Verwendung eines Parallelwiderstandes, Werte kleiner 1 belegen eine 

Verschlechterung. 




Geometrie / X 0,1 0,5 1 2 3 4 

0,22/1 0,46 0,44 0,42 0,39 0,35 0,32 

0,22/2 0,51 0,56 0,63 0,81 1,04 1,34 

0,22/3 0,59 0,75 1,01 1,86 3,41 6,27 

0,22/4 0,53 0,61 0,72 1,01 1,41 1,98 

0,18/1 0,60 0,77 1,07 2,04 3,91 7,48 

0,18/2 0,52 0,58 0,67 0,90 1,21 1,61 

0,18/3 0,57 0,62 0,68 0,84 1,03 1,27 

0,18/4 0,63 0,72 0,86 1,22 1,74 2,47 

0,14/1 0,73 0,94 1,29 2,45 4,63 8,75 

0,14/2 0,60 0,70 0,86 1,29 1,94 2,91 

0,14/3 0,69 0,81 0,99 1,49 2,23 3,35 

0,14/4 0,48 0,53 0,60 0,77 0,99 1,28 

Tabelle 4-3: Verbesserungen durch Parallelwiderstand bei verschiedenen Exponenten X in 

Gl. 4-2 

Erst ab einem Exponenten von X gleich 3 sind alle Werte in der Tabelle größer 

als 1, eine Verbesserung tritt also nur bei einer extremen Gewichtung 

zugunsten des Richtverhältnisses auf. Die drei schon beschriebenen Maxima 

beim Gewinn des Richtverhältnisses sind auch in dieser Form der 

Beschreibung wiederzufinden. Erst hier zeigt sich jedoch, dass die 

Konfiguration 14/1 günstiger als das bisher angenommene Optimum 22/3 ist. 

Für alle betrachteten Exponenten X ist die Gesamtverbesserung V höher. 

Anzustreben wäre eine reale Verbesserung schon bei einem Exponenten von 1, 

was einer Verbesserung des Richtverhältnisses um den Faktor 2 entspricht. 

Ansatzpunkt könnte hier der Abschlusswiderstand selbst sein. Genauere 

Untersuchungen darüber und auch über die Einbauart sollten Gegenstand 

weiterführender Arbeiten sein. 




4.2 Reflexionen an Muffen 

Bei Prüfungen von industriellen Kabellängen spielen Reflexionen an 

Verbindungsmuffen keine entscheidende Rolle, durch die Signaldämpfung der 

Kabel werden reflektierte Signale stark geschwächt und haben keinen weiteren 

Einfluss auf die Messungen. 

Bei Versuchen mit Kabelkurzstücken und mehreren Muffen (S. 8.1 

Kabelprüfung am IPH) gibt es kaum Dämpfung auf den Kabeln, Reflexionen 

können sich ungünstig mit dem eigentlichen Messsignal überlagern. Als 

Beispiel soll hier Abbildung 8-2 dienen. Auf dem Oszillogramm sind die 

Reflexionen der SF6-Muffe und des Endverschlusses gut zu erkennen. 

5 Verwendung von realen TE-Kalibratoren in der 

Simulation 

Innerhalb von PSpice können Signalquellen in vielfältiger Weise simuliert 

werden. Ein vorgegebener Spannungs-Zeit-Verlauf eines TE-Kalibrators kann 

z. B. durch eine teilweise lineare Approximation, durch e-Funktionen oder gar 

durch die Nachbildung des inneren Aufbaus des Gerätes realisiert werden. 

Als einfachste Möglichkeit bietet sich jedoch an, den Impulsverlauf in Form von 

Punktepaaren der Simulation zur Verfügung zu stellen. Die Spannungsquelle 

„VPWL_FILE“ kann mit einer Textdatei (*.TXT) verknüpft werden, so dass diese 

Punktepaare dann als Spannungs-Zeit-Paare ausgegeben werden. Das 

Oszilloskop TDS 684B von Tektronix kann Spannungs-Zeit-Verläufe von 

einzelnen Kanälen im EXCEL-Format „*.CSV“ speichern, was einer 

tabellarischen Auflistung von Zeit- und Spannungswerten entspricht. Zur 

Verwendung innerhalb von PSpice muss jedoch die Zeitachse so verschoben 

werden, dass keine negativen Werte mehr auftreten (das Oszilloskop setzt den 

Triggerzeitpunkt zu Null, zeichnet aber auch Datensätze davor auf!). Zu diesem 

Zweck wurde in PASCAL ein Programm realisiert, welches diese 

Koordinatenverschiebung durchführt. Per Dragń´Drop können Dateien im CSV- 

Format auf das Programm TEK2TXT.EXE gezogen werden, automatisch 

werden dann Dateien mit der Endung „TXT“ erzeugt, deren erste Zeitwerte bei 

Null starten. 




Zur Veranschaulichung dieses Prozesses sind die Arbeitsschritte nochmals 

aufgeführt: 

Gewünschten Spannungs-Zeit-Verlauf am Oszilloskop einstellen: 

Abb. 5-1: Spannungs-Zeit-Verlauf am Oszilloskop 

Der entsprechende Kanal wird dann im Format „CSV“ gespeichert und kann in 

EXCEL tabellarisch 




und grafisch 

Abb. 5-2: Datenformat CSV 




dargestellt werden. 

Abb. 5-3: Grafische Darstellung 

Die CSV-Datei wird nun per Dragń´Drop auf das Programm TEK2TXT.EXE 

gezogen, 




Abb. 5-4: Umwandlung von „CSV“ in „TXT“ 

welches eine entsprechende TXT-Datei anlegt, die dann in PSpice durch 

folgenden Aufbau genutzt werden kann: 

Abb. 5-5: Simulationsaufbau in PSpice 




Anmerkung: Die PSpice -Version 8.0 arbeitet bei der Verwendung von FILE-Quellen 

geringfügig fehlerhaft! Üblicherweise wird die Simulation NICHT durchgeführt, PSpice 

gibt eine Fehlermeldung für ein Bauteil aus, welches definitiv nicht fehlerbehaftet ist. 

Ursache hierfür ist die Art der Einbindung der FILE-Quellen in die automatisch 

generierten Netzlisten und in andere Eingabedateien. Die FILE-Quelle benötigt zwei 

Textzeilen, alle anderen verwendeten Bauteile nur eine, was den Compiler aus der 

Bahn wirft. 

Dieses Problem lässt sich umgehen, wenn man die FILE-Quelle als letztes Bauteil im 

grafischen Editor bearbeitet, z. B. es kopiert, löscht und wieder an derselben Stelle 

einfügt. In der Netzliste steht dann die Quelle an letzter Position, was den Compiler 

nicht weiter stört. Die Simulation läuft fehlerfrei. 

Die transiente Simulation führt zu folgendem Zeitverlauf: 

Abb. 5-6: Zeitverlauf des TE-Kalibrators in PSpice 

Innerhalb der Simulation können jetzt weitere mathematische Operationen 

ausgeführt werden, z. B. die Bestimmung der Impulsladung 




Abb. 5-7: Nummerische Bestimmung der Impulsladung an 50Ω Last 

oder die Transformation in den Frequenzbereich. 

Abb. 5-8: FFT des Impulses aus Abb. 5-6 

Anmerkung: Die Werte bei niedrigen Frequenzen sind aufgrund von nummerischen 

Problemen mit einer gewissen Unsicherheit belastet, für die Auswertung der 

Richtkopplerproblematik jedoch unerheblich. 




6 Simulation des Richtkopplers 

Eine vollständige realitätsnahe Simulation des Richtkopplers auf einem 

Hochspannungskabel ist nicht trivial. Der Mehrschichtaufbau des 

Hochspannungskabels macht die Verwendung von vorgefertigten Modellen in 

PSpice unmöglich, der modulare Aufbau von diskreten Bauelementen zur 

Nachbildung ist zwar prinzipiell möglich, liefert jedoch erheblich mehr Bauteile, 

als in der Studentenversion von PSpice erlaubt sind. An dieser Stelle also die 

Anregung, über den Kauf einer Vollversion nachzudenken... 

Um ein brauchbares Simulationsmodell zu erlangen, werden einige 

Vorüberlegungen angestellt und simuliert. 

Anfangspunkt ist die Darstellung eines Kabels in PSpice. 

6.1 Kabel als π-Glied 

Zur vereinfachten Betrachtung wird das Hochspannungskabel als einfaches π- 

Glied dargestellt. Der mehrschichtige Aufbau bleibt dabei unberücksichtigt, es 

ist lediglich von Interesse, dass für den betrachteten Frequenzbereich keine 

Dämpfung auftritt. 

Abb. 6-1: π-ESB, Aufbau in PSpice 

Wellenwiderstand und Grenzfrequenz des Modells folgen aus den 

Bauteilgrößen für Kapazitäten und Induktivitäten. 

Eine Analyse im Frequenzbereich zeigt, dass das Signal bis zu einer 

Grenzfrequenz von ungefähr 1GHz linear übertragen wird. 




Abb. 6-2: Frequenzverhalten 

Die Darstellung im Zeitbereich bestätigt dieses, das Signal ist am Ende des 

Kabels lediglich ein wenig geglättet. 

Abb. 6-3: TE-Signal am Anfang und Ende des Kabels 




6.2 Koppler als π-Glied 

In einem ersten Schritt wurde der Koppler mit dem gleichen Wellenwiderstand 

wie das Kabel nachgebildet. Für diesen Fall ist eine bessere Richtschärfe zu 

erzielen. 

Abb. 6-4: Nachbildung Kabel mit Richtkoppler 

Alle Wellen- und Abschlusswiderstände betragen 33Ω, die Abstimmung des 

Kopplers wurde mit Hilfe der Parametervariation in PSpice vorgenommen 

(Bauelement PARAMETERS). 

Abb. 6-5: Durchlass- und Sperrrichtung im Frequenzbereich 




Bis auf einen schmalen Bereich um die Resonanzfrequenz von 1GHz liegt die 

Ausgangsspannung in Sperrrichtung immer unterhalb der Spannung in 

Durchlassrichtung. 

Abb. 6-6: Durchlass- und Sperrrichtung im Zeitbereich 

Entsprechend der Betrachtung im Frequenzbereich zeigt sich nun im 

Zeitbereich eine Anregung in Sperrrichtung mit einer Frequenz von 1GHz. 

6.2.1 Fehlanpassung 

Ein realer Richtkoppler mit einem Wellenwiderstand von ca. 4Ω wird über eine 

50Ω-Messleitung abgegriffen. Um diesen Effekt am Beispiel dieses Aufbaus zu 

demonstrieren wurden die Richtkopplerausgänge mit in entsprechender Weise 

erhöhten Abschlusswiderständen, hier 400Ω, belastet. 




Abb. 6-7: Zeitverlauf bei um Faktor 12,5 zu großem Abschlusswiderstand 

Im Frequenzbereich ist die Ursache dieses Verhaltens ersichtlich. 

Abb. 6-8: Frequenzverlauf bei Fehlanpassung 




Bis ca. 1GHz gibt es keinen relevanten Unterschied zwischen Sperr- und 

Durchlassrichtung. Erst für Frequenzanteile oberhalb 1GHz existiert eine 

Richtwirkung. 

6.3 Berücksichtigung von Laufzeiten 

Zur Berücksichtigung von endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten wurde das 

Modell verfeinert. Die Kopplerstrecke von 30cm wurde in zwei gleiche Teile zu 

je 750ps Laufzeit unterteilt. Die Überkopplung erfolgt jeweils an den Enden und 

in der Mitte des Kopplers. 

Abb. 6-9: Einführung von verlustlosen Leitungen 

Im Zeitbereich sind die drei diskreten Überkopplungen mit einer 

Laufzeitdifferenz von ca. 1,7ns genau zu erkennen, was abgesehen von nicht 

mehr so steilen Anstiegsflanken noch nahe an den erwarteten 1,5ns liegt. 




Abb. 6-10: Zeitverlauf bei diskreter Überkopplung an drei Stellen 

Für eine exakte Betrachtung müsste also die Überkopplung in kleinere 

Abschnitte unterteilt werden. 

Als weitere Möglichkeit bleibt die Verringerung der Leitungslaufzeiten (also ein 

Abschied von den angestrebten geometrischen Verhältnissen und Frequenzen), 

was für eine grundlegende Betrachtung zulässig ist. Im folgenden wird also mit 

einer Laufzeit von 100ps pro Leitungselement gearbeitet. 




Abb. 6-11: Überkopplung bei jeweils 100ps Laufzeit 

Die diskreten Überkopplungen sind nun verschwunden, sie überlagern sich zu 

nur noch einem Signal. Die neu erfolgte Abstimmung des Kopplers brachte 

dabei ein sehr gutes Richtverhältnis. 

6.3.1 Fehlanpassung 

Um einen weiteren Eindruck über Fehlanpassung am Kopplerausgang zu 

erhalten, wurden die Abschlusswiderstände wiederum auf 400Ω erhöht. 




Abb. 6-12: Fehlanpassung am Kopplerausgang 

Hier ist zu erkennen, dass der vorher sehr gut abgestimmte Koppler seine 

Richteigenschaften völlig verliert. 

6.4 Richtkoppler mit realem Wellenwiderstand 

Zur weiteren Annäherung an ein sinnvolles Modell wird nun der Richtkopplerteil 

mit einem Wellenwiderstand von 4Ω dargestellt. Dazu wurden die 

entsprechenden Kapazitäten und Induktivitäten sowie die verlustlosen 

Leitungen angepasst. 

Abbildung 6-13 zeigt nach einer Variation der induktiven Verkopplung zwei 

verschieden abgestimmte Koppler. 




Abb. 6-13: Induktive Verkopplung k=0,02 und k=0,09 

Bei der geringeren induktiven Verkopplung von k=0,02 (gelbe Kurve: Signal in 

Durchlassrichtung, rote Kurve: Signal in Sperrrichtung) herrscht die kapazitive 

Verkopplung vor, die Signale aus Durchlass- und Sperrrichtung sind in Phase. 

Im anderen Fall (blau bzw. hellblau) herrscht die induktive Verkopplung vor, die 

Impulse sind gegenphasig. 

Eindeutig ist aber eine Verschlechterung gegenüber dem 33Ω-Koppler zu 

erkennen. 

6.4.1 Einfluss des Abschlusswiderstandes 

Bei der Variation des Abschlusswiderstandes wurden die Fälle des realen 50Ω- 

Abschlusses und des angepassten 4Ω-Abschlusses untersucht. 




Abb. 6-14: Zeitverläufe bei 4Ω und 50Ω 

Wie schon theoretisch berechnet und messtechnisch überprüft, ist auch hier der 

Rückgang der Signalspannung in Durchlassrichtung zu erkennen. Die 

Spannung geht von 9,3mV (blaue Kurve) auf 5,2mV (gelbe Kurve) zurück. 

Im Falle des 50Ω-Abschlusses sind lang andauernde Reflexionsvorgänge an 

beiden Ausgängen des Richtkopplers zu erkennen (blaue bzw. hellblaue 

Kurve), bei Anpassung sind bereits nach 8ns keine nennenswerten 

Signalspannungen mehr zu verzeichnen. Besonders wiegt hier im Vergleich das 

zweite negative lokale Maximum des mit 50Ω belasteten Ausgangs in 

Sperrrichtung (hellblaue Kurve), was das erste Maximum an Spannungshöhe 

sogar übertrifft. 

6.5 Zusammenfassung 

Die Richtschärfe eines Richtkopplers wird aus folgenden Gründen reduziert: 

Die Wellenwiderstände der verkoppelten Leitungen sind nicht 

aufeinander abgestimmt. 




Die Abschlusswiderstände des Richtkopplers führen zu Reflexionen 

auf dem Koppler, ein in Durchlassrichtung erfasstes Signal wird zum 

Ausgang in Sperrrichtung hin reflektiert und dort ebenfalls detektiert. 

Durch die Verkopplung selbst wird der Wellenwiderstand der beiden 

Leiter verändert, es folgen sich ausbreitende Wellen auf beiden 

Teilsystemen in beide Richtungen, die dann natürlich von beiden 

Ausgängen des Richtkopplers erfasst werden. 

Für eine ausreichende Richtschärfe, die von einer automatischen 

Auswerteeinheit oder vom Prüfingenieur gefordert wird, ist es sowohl in der 

Simulation, als auch in der Realität, unausweichlich, durch Iterationen ein 

subjektives Optimum zu bestimmen. Dieses Optimum liegt dann jedoch aus den 

erwähnten Gründen weit von der theoretisch zu erzielenden Richtschärfe 

entfernt. Gute Ergebnisse sind dann zu erzielen, wenn durch die Geometrie des 

Kopplers ein Wellenwiderstand in der Größenordnung des Wellenwiderstandes 

des Kabels eingestellt werden kann. 

7 TE-Kalibratoren 

Zur Kalibrierung von Messkreisen werden spezielle Impulsgeber verwendet. 

Diese TE-Kalibratoren unterscheiden sich jedoch erheblich untereinander, so 

dass das spätere Messergebnis in hohem Maße von der Wahl des Gerätes 

abhängig ist. 

Trotz gleicher Impulsladung weisen die Ausgangssignale der Kalibratoren 

verschiedene Anstiegszeiten, Impulsbreiten und Maximalspannungen auf. Der 

zu erzeugende Ladungsimpuls kann dabei positiv oder negativ sein. 

Bei der Verwendung von Richtkopplersensoren zur TE-Messung ist das 

Frequenzspektrum des Kalibrierimpulses von großer Bedeutung, da die 

Überkopplung vom Energiekabel zum Richtkoppler auf eine relativ geringe 

Bandbreite beschränkt ist. Generell sind zur Messung mit Richtkopplern 

Kalibratoren mit schnellen Impulsen und hohen Frequenzanteilen besonders 

geeignet. 




Im folgenden werden die Spannungs-Zeit-Verläufe von mehreren Kalibratoren 

gegenübergestellt. 

7.1 LDJ5 

Der Kalibrator LDJ5 stellt energiereiche Impulse (500pC bis 10000pC) mit 

negativem Maximum bereit. Für die Messung wurde der Ausgang mit 500pC 

Impulsladung gewählt. Alle Messungen erfolgten mit 50Ω Belastung. 

Abb. 7-1: Oszillogramm 500pC LDJ5 

Die nummerische Integration des Oszilloskops (zweite Kurve) liefert mit der 

„Area“-Funktion vergleichbare Werte. Auf die Zahlenwerte wird im folgenden 

genauer eingegangen. 

Der Spannungsverlauf wurde als Punktepaare gespeichert und in PSpice als 

Quelle simuliert. 




Abb. 7-2: Simulation 500pC LDJ5 

Die nummerische Integration innerhalb von PSpice liefert für die maximale 

Ladung ähnliche Werte, die genauen Zeitverläufe unterscheiden sich 

geringfügig, vor allem im Bereich konstanter Spannung, was auf eine 

fehlerhafte Bestimmung der Integrationskonstante hinweist. 

Die Darstellung des Frequenzspektrums wurde mit der FFT-Funktion in PROBE 

erstellt. 




7.2 PD CAL2A 

Abb. 7-3: Simulation FFT 500pC LDJ5 

Der Kalibrator PD CAL2A kann per Taster von 1pC bis 50pC positiv und negativ 

betrieben werden. Die Messungen wurden mit einem positiven 5pC-Impuls 

durchgeführt. 

Abb. 7-4: Oszillogramm 5pC PD CAL2A 




Abb. 7-5: Simulation 5pC PD CAL2A 

Abb. 7-6: Simulation FFT 5pC PD CAL2A 




7.3 RH-3/6 

Der Kalibrator RH-3/6 ist kein TE-Kalibrator im eigentlichen Sinne. Die 

Impulsladung kann nicht in der Einheit „pC“ vorgewählt werden. Der erzeugte 

Impuls kann lediglich durch einen Umschalter von 3ns auf 6ns verbreitert 

werden. Das Gerät verfügt über integrierte Dämpfungsglieder, die beliebig 

zugeschaltet werden können, was einer zusätzlichen Variationsmöglichkeit bei 

der Impulsladung gleichkommt. Die Impulsladung ist lastabhängig. 

Die Messungen wurden mit einem 3ns-Impuls ohne Dämpfung durchgeführt. 

Abb. 7-8: Oszillogramm 0dB RH-3/6 




Abb. 7-9: Simulation 0dB RH-3/6 

Abb. 7-10: Simulation FFT 0dB RH-3/6 




7.4 RH-LCD 2 

An diesem Kalibrator kann die Impulsladung komfortabel stufenlos eingestellt 

werden. Die Polarität ist negativ, das Signal besitzt keine nennenswerten 

Durchschwinger. 

Abb. 7-11: Oszillogramm 150pC RH-LCD 2 

Abb. 7-12: Simulation 150pC RH-LCD 2 




Abb. 7-13: Simulation FFT 150pC RH-LCD 2 

7.5 Gegenüberstellung der Kalibratoren 

Von den vier untersuchten Geräten sind die Modelle LDJ5, PD CAL2A und RH- 

LCD 2 kalibrierte Impulsgeber. Das Gerät RH-3/6 ist lediglich für Testzwecke 

konzipiert, bei denen es auf kurze Impulse ankommt. 

Das Modell LDJ5 ist mit seinen Signalausgängen für 500pC, 5000pC und 

10000pC nicht für die üblichen geringen TE-Pegel ausgelegt, die bei der 

Verwendung von Richtkopplersensoren z. B. an Muffen typisch sind. Zudem 

weist dieser Kalibrator die geringste Bandbreite auf, was wiederum der mit 

Abstand langsamsten Anstiegszeit tr entspricht. 

Modell Qsoll [pC] Qist 

[pC] 

Pol. tr 

[ps] 

Umax 

[mV] 

AREA 

[pVs] 

Frequenzanteile bis ca. 

[MHz] 

LDJ5 500 483,7 - 51000 188 24186,0 160 

PD CAL2A 5 4,1 + 350 351 203,5 2500 

RH-3/6 keine Dämpfung 18,4 + 1640 171 922,0 1000 

RH-LCD 2 150 152,9 - 416 4640 7644,4 2500 

Tabelle 7-1: Vergleich der Kalibratoren 




Im Vergleich der vorgegebenen zur gemessenen Ladungsmenge schneidet der 

Kalibrator PD CAL2A bei der untersuchten Einstellung am Schlechtesten ab. 

Der eingestellte Wert von 5pC brachte lediglich eine gemessene Impulsladung 

von 4,1pC, immerhin ein Fehler von 20%, der bei sensiblen Messungen das 

Gesamtbild verfälschen kann. 

Es ist also notwendig, vor jeder Kalibrierung des Messkreises den TE-Kalibrator 

auf seine Funktionalität zu überprüfen. Neben systematischen Fehlern des 

Gerätes fehlt an fast allen Impulsgebern eine Batteriestatusanzeige, die den 

Benutzer vor zu geringen tatsächlichen Ladungsinhalten warnt. 

8 Richtkoppler im Prüfeinsatz 

Bei Typ- und Stückprüfungen von Hochspannungskabelgarnituren muss das zu 

testende Betriebsmittel eine Reihe von elektrischen, thermischen und 

mechanischen Beanspruchungen standhalten. Wie schon erwähnt ist hierbei 

die Einhaltung eines TE-Grenzwertes für innere Teilentladungen eine 

entscheidende Forderung, je nach den Vorschriften des Prüfkunden kann sogar 

eine vollständige TE-Freiheit (TE-Pegel unter der Nachweisgrenze) gefordert 

sein. Neben der klassischen TE-Messtechnik zur Pegelbestimmung können 

hierbei Richtkoppler einen genaueren Hinweis auf mögliche Fehlerorte geben. 

8.1 Kabelprüfung am IPH 

Im Rahmen einer Typprüfung wurden am IPH (Institut „Prüffeld für elektrische 

Hochleistungstechnik“ GmbH) ein Aufbau bestehend aus zwei 

Endverschlüssen, einer SF6-Muffe, einer Feststoffmuffe und drei Kabelstücken 

zu je ca. 15m untersucht. 




Abb. 8-1: Schema Versuchsaufbau Kabelprüfung 

An den vier Richtkopplerkanälen der SF6-Muffe war folgendes Oszillogramm zu 

messen: 

Abb. 8-2:Oszillogramm an der SF6-Muffe (Verschiedene Skalierung!) 

Die Kanäle B und C zeigten einen deutlichen Ausschlag, was auf einen Fehler 

innerhalb der Muffe schließen ließ. In den Grafen A und D sind zusätzlich die 

Reflexionen vom Endverschluss bzw. von der nächsten Muffe nach ca. 150ns 

zu erkennen, was der tatsächlichen Kabellänge von 15m entspricht. Eine 

genauere Auflösung des Signalaufschwingens zeigt Abb. 8-3. 




Abb. 8-3: Zoom der Kanäle B und C 

Die auszumessende Laufzeitdifferenz von 10ns entspricht einer geometrischen 

Differenz von 2m, was bei einem Abstand der Richtkopplermitten von 3,20m zu 

einem Fehlerort im Abstand von 60cm vom linken Koppler führt. 

Nachdem das Silikonöl und das Kabelende aus der linken Seite der Muffe 

entfernt worden sind, zeigte sich eine mögliche Fehlerstelle im Aufbau. Im 

Bereich des berechneten Fehlerortes war eine fühlbare Rille zwischen einem 

Verbindungsflansch und dem Muffengehäuse. Es bestand die Möglichkeit, dass 

beim Befüllen der Kammer eine Gasblase zurückgeblieben ist, die TE 

verursacht hat. Nach einer erneuten Befüllung trat dieser Fehler nicht mehr auf. 




8.2 Steckerversuch am IPH 

Am IPH wurde ein Stecksystem für 110kV-Kabelgarnituren geprüft. Dieses 

Stecksystem soll eine sichere Verbindung zwischen Hochspannungs-VPE- 

Kabeln und SF6-Anlagen gewährleisten. 

8.2.1 Versuchsaufbau 

Der Gesamtaufbau besteht aus einer Hochspannungseinführung, welche die 

Freiluftseite mit einer gekapselten SF6-Anlage verbindet. An diese Anlage sind 

vier Hochspannungskabelenden (zwei Kabelstücke, je ca. 25m) über das zu 

prüfende Stecksystem angeschlossen. Die weitere Verschaltung der Kabel 

ergibt sich aus den Anforderungen eines geschlossenen Heizkreises. Jeweils 

mittig auf den Kabeln ist zur Auskopplung von TE-Signalen ein Richtkoppler 

angebracht, der die klassische TE-Messung ergänzen soll. 




Abb. 8-4: Versuchsaufbau am IPH Abb. 8-5: Versuchsaufbau 

(Schema) 

Um die mechanische Zugbelastung auf die Steckverbindungen im Betrieb 

nachzubilden, wurden acht Meter der Kabelstrecke senkrecht nach unten 

verlegt, wie es z. B. bei einer Tunnelverlegung mit ebenerdiger Einführung der 

Fall ist. 

Bei Spannungen über 90kV wurden TE im Aufbau festgestellt. Folgende 

Oszillogramme ergaben sich bei verschiedenen Prüfspannungen an den vier 

Ausgängen der Richtkopplersensoren (die Kanalnummerierung der 

Oszillogramme entspricht hierbei der Nummerierung der Richtkopplerausgänge 

aus Abb. 8-5): 




Abb. 8-6: Oszillogramm der Richtkopplerausgänge bei 90kV Prüfspannung 

Abb. 8-7: Oszillogramm der Richtkopplerausgänge bei 120kV Prüfspannung 




Die Oszillogramme zeigen ein Ansprechen der Richtkopplerausgänge 2 und 4, 

was auf einen Fehler im rechten Bereich des Aufbaus (s. Abb. 8-4) schließen 

lässt. Das nahezu zeitgleiche Aufschwingen der Grafen von Kanal 2 und Kanal 

4 deutet darauf hin, dass die TE-Quelle relativ mittig zwischen den 

entsprechenden Richtkopplerausgängen liegt, also im Bereich der SF6-Anlage 

und der Steckerverbindungen. Eine genauere Betrachtung der Kanäle 2 und 4 

zeigt jedoch eine geringfügige Zeitdifferenz von 5ns, was einer geometrischen 

Distanz von 1m entspricht, die das TE-Signal zum Ausgang 2 weniger 

zurücklegen muss. Wählt man nun die Mitte zwischen den Steckern 3 und 4 der 

SF6-Anlage als Symmetrieachse, so ergibt sich ein wahrscheinlicher Fehlerort 

im Steckerbereich von Anschluss 3 in einer Entfernung von ca. 0,5m von eben 

diesem Bezugspunkt. 

Mit dieser Abschätzung konnte die genaue Fehlerursache nicht eindeutig 

bestimmt werden, im Bereich des abgeschätzten Fehlerortes gab es drei 

mögliche TE-Quellen: 

Fehler in der SF6-Anlage: 

Innerhalb einer geschlossenen SF6-Anlage können freie Partikel zu TE 

führen. Diese führen zwar zu keiner grundlegenden Beeinflussung des 

Betriebsmittels, können aber zerstörerische TE in ihrer Nähe so 

überlagern, dass diese nicht aufzufinden und abzustellen sind. 

Fehler am Stecker: 

Im Steckerbereich scheinen viele TE-Quellen möglich. So kommen 

Montagefehler zwischen Kabel und Stecker in Frage, ebenso zwischen 

Stecker und Buchse. Stecker und Buchse selbst wurden beim Hersteller 

vorgeprüft und für TE-frei erklärt. 

Fehler an der äußeren Leitschicht: 

Beim Freilegen der äußeren Leitschicht zwischen Stecker und oberster 

Befestigungsschelle der Tragekonstruktion zwecks Aufbringens eines 




Temperaturfühlers könnten beim Umgang mit Werkzeugen 

Beschädigungen aufgetreten sein. 

Zur genaueren Festlegung des Fehlerortes und damit zur Ermittlung der 

Fehlerursache war eine genauere Untersuchung der Signalausbreitung 

innerhalb des Versuchsaufbaus notwendig. Zur Simulation im Zeitbereich wurde 

der Aufbau in PSpice nachgebildet. 

8.2.2 Simulation 

Bei jeder mathematischen Beschreibung von Betriebsmitteln stellt sich die 

Frage nach dem Gültigkeitsbereich der Modelle. Da in diesem Fall die 

Ausbreitung des TE-Signals im Vordergrund stand, konnten viele 

Vereinfachungen bei der Nachbildung gemacht werden, die das 

Gesamtergebnis nur unwesentlich verfälschten. So wurden trotz eines 

komplexeren Aufbaus das Hochspannungskabel, die Einführungskerze und die 

SF6-Anlage als verlustlose Leitungen nachgebildet, der Richtkoppler als 

konzentrisches Element. Somit gingen Informationen über den genauen 

Zeitverlauf eines TE-Impulses verloren, die hier nicht im Vordergrund standen. 

Vielmehr sollte der Einfluss von Sprüngen im Wellenwiderstand an den 

Stoßstellen der Betriebsmittel, die verschiedenen 

Ausbreitungsgeschwindigkeiten sowie die kreisförmige Signalausbreitung 

innerhalb der Schleifen untersucht werden. 

8.2.2.1 Vorüberlegungen 

Das Hochspannungskabel wurde als verlustlose Leitung mit einem 

Wellenwiderstand von 30Ω nachgebildet. Zur Auskopplung von TE-Signalen 

muss diese aber durch ein π-Element unterbrochen werden, da hier die 

Koppelkapazitäten und Koppelinduktivitäten anzubringen sind. 




Abb. 8-8: Nachbildung des Hochspannungskabels 

Dieser Eingriff verändert jedoch die Übertragungseigenschaften des Modells, 

der Frequenzgang wird jetzt durch das π-Glied bestimmt und berechnet sich zu: 

f g 

1 

= (Gl. 8-1) 

2π 

LC / 2 

Abb. 8-9: Tiefpassverhalten durch das π-Glied 

Das System zeigt nun Tiefpassverhalten mit einer ungefähren Grenzfrequenz 

von 8GHz bei –3dB (861mV). 




Der Einfluss auf das gewählte TE-Signal (Anstiegszeit 500ps, Rückenzeit 

5,5ns) ist jedoch minimal, da der spektrale Energieanteil im Bereich der 

Grenzfrequenz des Kabelmodells nahezu Null ist (s. Abb. 8-10). Im Zeitbereich 

sind beide Impulsformen nicht zu unterscheiden (s. Abb. 8-11), das gewählte 

Leitungsmodell ist also gültig. 

Abb. 8-10: Frequenzanteile des TE-Impulses 




Abb. 8-11: Impuls am Anfang und am Ende der Leitung 

Wie in Abb. 8-12 zu sehen wurde der Richtkoppler als konzentrisches Element 

eingefügt. 

Abb. 8-12: Nachbildung des Richtkopplers 

Hierbei wurde zwecks Vereinfachung von einer Beschreibung als 

Streifenleitung mit realistischen Kapazitäts- und Induktivitätswerten abgesehen, 

auch die Werte der Koppelimpedanzen wurden willkürlich auf den 

Frequenzbereich des Kabelmodells angepasst (s. Abb. 8-9). 




Abb. 8-13: Frequenzgänge des Modells 




Abb. 8-14: Signalverlauf im Zeitbereich 

Die Darstellung im Zeitbereich (s. Abb. 8-14) liefert die gewünschten 

Ergebnisse. Das TE-Signal wird an der signalzugewandten Seite ausgekoppelt, 

an der signalfernen jedoch nicht bzw. nur minimal. 




8.2.2.2 Schaltung des Versuchsaufbaus 

Abb. 8-15: Schaltung Versuchsaufbau 

Auf Basis der Vorüberlegungen wurde nun der Gesamtaufbau simuliert. Der 

Aufbau (s. Abb. 8-15) zeigt die Einführungskerze T_Kerze, die in die zwei 

leitenden Verbindungen (Brücken) unterteilte SF6-Anlage T_Bruecke1 und 

T_Bruecke2 und die zwei Kabelstücke T_K11/2 bzw. T_K21/2, welche durch 

die Auskopplungs-π-Glieder unterbrochen sind. Die TE-Quelle wurde zwischen 




der Brücke 2 und dem Kabelstück K12 eingefügt, was der Position von 

Stecker 3 aus Abb. 8-5 entspricht. Abb. 8-16 zeigt das simulierte Oszillogramm. 

Abb. 8-16: Simulationsplot TE an Stecker 3 

Abgesehen vom genauen Zeitverlauf der Einzelimpulse stimmt das 

Oszillogramm mit den gemessenen (s. Abb. 8-6 und Abb. 8-7) überein. Das TE- 

Signal breitet sich ausgehend von Stecker 3 in beide Richtungen aus und wird 

zuerst vom Richtkopplerkanal 2 detektiert, Kanal 4 registriert den Impuls 

aufgrund der zusätzlichen Wegstrecke durch die SF6-Anlage über Stecker 3 

und 4 etwas verspätet. Kanal 1 und 2 messen zu diesem Zeitpunkt lediglich ein 

kleineres Signal verursacht durch eine geringfügige Fehlanpassung des 

Kopplers. 

Der Impuls läuft nun einerseits von Richtkopplerkanal 1 zu Stecker 1, 

andererseits von Kanal 3 zu Stecker 2. Dort werden beide Teilsignale zum 

einen an der SF6-Anlage reflektiert, zum anderen durchdringen sich die 

Transmissionen und laufen nun über Kreuz erneut auf die Richtkopplerkanäle 1 




und 3 zu. Ein weiterer Teil wird sowohl am Anfang, als auch am Ende der 

Einführungskerze reflektiert und überlagert sich zu den anderen Signalen. 

Durch Signaldispersion, Dämpfung, Mehrfachreflexionen und sich 

wiederholende TE-Pulse ist eine weitere Signalverfolgung unmöglich und nicht 

sinnvoll. 

Einen zusätzlichen Anhaltspunkt für die Gültigkeit des Simulationsmodells gab 

ein Vergleich von gemessenem und simuliertem Oszillogramm bei Einspeisung 

eines Kalibrierimpulses an der Einführungskerze (s. Abb. 8-17/8-18). 

Abb. 8-17: Simulation TE-Kalibrator an 

Einführungskerze 

Abb. 8-18: Messung TE-Kalibrator an 

Einführungskerze 

Hier ist deutlich das erwartete Ansprechen der Richtkopplerkanäle 1 und 3 zu 

erkennen. Die Kanäle 2 und 4 messen das Signal erst nach einem 

vollständigen Schleifendurchlauf, durch Dämpfung, Dispersion und Reflexionen 

verfälscht. 

Es wurde gezeigt, dass gerade mit Hilfe von Richtkopplern und mit Hilfe von 

Rechnersimulationen auch unübersichtliche Versuchsaufbauten untersucht 

werden können. Durch Variation des Fehlerorts innerhalb der Simulation 

konnten die gemessenen und simulierten Oszillogramme aufeinander 

abgestimmt werden. Basierend auf dieser Aussage wurde daraufhin Stecker 3 

demontiert und als Fehlerquelle eindeutig identifiziert. Im Bereich der Buchse 

innerhalb der SF6-Anlage war eine deutliche dunkle Ablagerung zu erkennen. 




9 Schlussbetrachtung 

In Versuch und Simulation wurde gezeigt, dass die Richtschärfe eines Kopplers 

durch Anpassung mit ohmschen Widerständen verbessert werden kann. Der 

Grad der Verbesserung ist jedoch nicht so erheblich, dass eine generelle 

Verwendung von Parallelwiderständen empfohlen wird. 

Zur Verdeutlichung von elementaren Zusammenhängen wurde ein Modell 

innerhalb von PSpice in mehreren Schritten hergeleitet und dessen 

Gültigkeitsbereich aufgezeigt. 

Verschiedene TE-Kalibratoren wurden untersucht und auf ihre Tauglichkeit zur 

Kalibrierung von Richtkopplersensoren getestet. 

Für die Simulation mit PSpice wurde aufgezeigt, wir Impulsformen von realen 

TE-Kalibratoren Einzug in die Berechnungen finden. 

Es wurde gezeigt, wie eine nummerische Simulation eine industrielle Messung 

begleiten und ergänzen kann. 

9.1 Ausblick 

Ein exaktes Simulationsmodell für einen Richtkoppler konnte in PSpice nicht 

erstellt werden. Weiterführende Arbeiten könnten mit Hilfe einer Vollversion 

erfolgreich sein. Erst dann ist ein direkter Vergleich von Simulation und 

Messung möglich, bis dahin bleibt lediglich der Entwurf von Kopplern nach der 

Methode „Try & Error“ am vorgegebenen Kabel. 

Als Fernziel bleibt die Berechnung eines Richtkopplers ausgehend von den 

technischen Daten des entsprechenden Energiekabels, besonders der Einfluss 

der Leitschichten sollte weiter untersucht werden. 

Unabhängig davon bleibt das Problem der industriellen Fertigung der 

Richtkopplersensoren in größeren Mengen, vor allem mit integrierter PE- 

Schicht. Erst dann kann diese Messmethode Einzug in den betrieblichen 

Prüfablauf halten. 




10 Anhang 

10.1 Quellcode TEK2TXT.EXE 

program punktpaare; 

uses wincrt, WinTypes, WinProcs, WinDos, Strings, FileDlgs; 

var lauf:integer; 

Zieldatei:array[1..20] of string; 

{*************************************************************** 

************************} 

function quelldatei(nr:integer):string; 

begin 

quelldatei:=paramstr(nr); 

end;{quelldatei} 

{*************************************************************** 

************************} 

function anz_parameter:integer; 

begin 

anz_parameter:=paramcount; 

end;{anz_p} 

{*************************************************************** 

************************} 

function mindestens_ein_parameter:boolean; 

var hilf:boolean; 

begin 

hilf:=false; 

if anz_parameter>0 then hilf:=true; 

if anz_parameter>20 then hilf:=false; 

mindestens_ein_parameter:=hilf; 

end;{min} 

{*************************************************************** 

************************} 

procedure falscher_aufruf; 

begin 

writeln('Bis zu 5 Quelldateien per Dragń´Drop auf das 

Programm ziehen...'); 




writeln('Die Punktpaare (*.csv) vom TEK werden so verändert, 

dass der'); 

writeln('erste Zeitwert =0 wird. PSpice kann die 

Ergebnisdatei (*.txt)'); 

writeln('dann als File-Quelle verwenden.'); 

write('Enter drücken'); 

readln; 

end; 

{*************************************************************} 

function File_Exists(FileName: String): Boolean; 

{ Boolean function that returns True if the file 

exists;otherwise, 

it returns False. Closes the file if it exists. } 

var 

F: file; 

begin 

{$I-} 

Assign(F, FileName); 

Reset(F); 

Close(F); 

{$I+} 

File_Exists := (IOResult = 0) and (FileName ''); 

end; { File_Exists } 

{*************************************************************} 

procedure tek2pspice(nr:integer); 

var f1,f2:text; 

ziel,zeile,zeitstring:string; 

kommastelle,code:integer; 

zeit,offset:real; 

begin 

4); 

if file_exists(quelldatei(nr)) then 

begin 

ziel:=copy(quelldatei(nr),1,length(quelldatei(nr))- 

ziel:=ziel+'.txt'; 

writeln(' Converting...'); 

write(' ',quelldatei(nr),' zu '); 

assign(f1,quelldatei(nr)); 

reset(f1); 

assign(f2,ziel); 

writeln(ziel); 

rewrite(f2); 

offset:=0; 




while not eof(f1) do begin 

readln(f1,zeile); 

kommastelle:=pos(',',zeile); 

if kommastelle0 then begin 

{writeln('Kommastelle: ',kommastelle);} 

zeitstring:=copy(zeile,1,kommastelle-1); 

{ writeln('Zeitstring: ',zeitstring);} 

val(zeitstring,zeit,code); 

{writeln('Zeit: ',zeit);} 

if offset=0 then begin 

offset:=zeit; 

writeln('Offset gesetzt: ',offset); 

end; 

zeit:=zeit-offset; 

writeln(f2,zeit,copy(zeile,kommastelle,length(zeile))); 

end; {Conv} 

end;{0} 

end;{while} 

close(f1); 

close(f2); 

writeln; 

end; {file exists} 

writeln(' Erfolgreich !!!!!!!!!!!!'); 

{*************************************************************** 

**} 

begin {*** Hauptprogramm 

*****************************************} 

StrCopy(WindowTitle, 'Kay´s TEK 2 PSpice Converter'); 

if mindestens_ein_parameter then begin 

for lauf:=1 to anz_parameter do begin 

writeln(quelldatei(lauf)); 




tek2pspice(lauf); 

end;{lauf} 

writeln; 

writeln('Ergebnisdateien (*.txt) erfolgreich 

erstellt...'); 

write('Enter drücken.....................'); 

readln; 

for lauf:=1 to 50 do begin 

writeln; 

end; 

end else begin 

end; 

falscher_Aufruf; 

PostQuitMessage(0); 

{*************************************************************** 

************************} 

end. 




10.2 Literatur 

[1] Skript zum EMV-Labor 1, Prof. Kalkner 

[2] Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Springer-Verlag, 1986 

[3] Skripte zur Vorlesung Hochfrequenztechnik 1, Prof. Petermann 

[4] Skripte zur Vorlesung Hochspannungstechnik, Prof. Kalkner 

[5] Hochspannungstechnik, Küchler, VDI-Verlag, 1996 

[6] Hochspannungstechnik, Hilgarth, Teubner-Verlag, Stuttgart 

[7] Eigenschaften von Energiekabeln und deren Messung, VWEW 

[8] Kabelhandbuch, VWEW, Frankfurt am Main, 1997 

[9] Diplomarbeit Zesche, 1998

Diplomarbeit - Prof. Dr.-Ing. Kay Rethmeier

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