Improving lightning impulse measurement system of Tampere University: Hardware development and uncertainty evaluation
Aaltonen, Lauri (2022)
Aaltonen, Lauri
2022
Sähkötekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Electrical Engineering
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-05-23
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202205174989
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202205174989
Tiivistelmä
Electrical grids’ components are tested with standardized lightning impulses to ensure their capability to withstand stresses caused by lightning phenomena to ensure a strong network. Currently the trends in transmission networks are towards higher system and test voltages which generates the need for better calibration capabilities. This thesis focuses on development and characterization of Tampere University’s lightning impulse measurement system. The system is studied because it is needed to be prepared for an European intercomparison campaign, where reference level uncertainties are necessary.
The old system was altered by adding a new low voltage arm to the damped capacitive high voltage divider as well as a new measuring cable. Thorough initial characterizations were carried out for the existing measuring system. It was found out that the HV arm’s elements exhibit unidealities that result in high oscillations in the divider’s response. The high voltage arm’s capacitance also exhibits frequency dependency which is compensated in the new low voltage arm by adding a compensation branch to the printed circuit board. Together with simulations and step response testing, analysis of different improvements are carried out in order to improve divider’s dynamic performance. The compensation is also tuned with step response tests. The uncertainty contributions are studied with different testing setups or by estimation.
The different standard uncertainties for the voltage divider are examined and uncertainty analysis performed using a reference measurement system method. The peak voltage and time parameter uncertainties are presented and compared for three different measurement systems. Accuracy of the time to half value is successfully improved by the added compensation. Sähköverkkojen komponentit, kuten muuntajat, testataan standardimuotoisilla salamasyöksyjännitteillä todennuksena siitä, että komponentti toimii suunnitellusti myös esimerkiksi ukonilman aiheuttamien jänniterasituksien aikana. Tämä varmistaa komponentin luotettavan toiminnan verkossa. Tällä hetkellä kehityssuunta sähköverkoissa on nostaa jännitetasoa siirrettävän tehon kasvattamiseksi. Kasvava jännitetaso aiheuttaa kasvavat vaatimukset kalibrointikyvylle. Tämä opinnäytetyö keskittyy Tampereen yliopiston salamasyöksyjännitteen mittausjärjestelmän kehittämiseen ja karakterisointiin. Järjestelmä pitää valmistella eurooppalaista vertailumittausta varten, jossa referenssimittausjärjestelmiltä vaadittavat mittausepävarmuustasot ovat vaatimuksena.
Vanhaa olemassa olevaa järjestelmää kehitettiin suunnittelemalla ja rakentamalla uusi alajänniteosa vaimennettuun kapasitiiviseen jännitteenjakajaan, sekä uusi mittauskaapeli. Järjestelmän jännitteenjakajan yläjänniteosan komponentit osoittivat epäideaalisuuksia, mikä aiheutti järjestelmän vasteeseen suuria värähtelyjä. Yläjänniteosan kapasitanssi oli taajuusriippuvaa, joka on kompensoitu uudessa alajänniteosassa lisäämällä alajänniteosan piirilevyn kondensaattoreiden rinnalle kompensointihaara. Erilaisten parannuskeinojen toimivuutta on analysoitu yhdessä simulointien ja askelvastemittausten avulla. Myös kompensointihaara on mitoitettu askelvastetta käyttäen. Epävarmuustekijät on määritetty erilaisilla testausjärjestelyillä tai arvioimalla.
Kullekin vaihtoehtoiselle mittausjärjestelmälle on laskettu kokonaisepävarmudet standardiepävarmuuksien ja referenssijärjestelmän kanssa suoritettujen vertailumittausten pohjalta. Kolmelle eri mittausjärjestelmälle määritetyt kokonaisepävarmuudet jännitteen huippuarvolle sekä aikaparemetreille on esitetty ja erisysteemejä vertailtu keskenään. Salamasyöksyjännitteen selän puoliarvoajan epävarmuus on parantunut huomattavasti suunnitellun kompensointihaaran avulla.
The old system was altered by adding a new low voltage arm to the damped capacitive high voltage divider as well as a new measuring cable. Thorough initial characterizations were carried out for the existing measuring system. It was found out that the HV arm’s elements exhibit unidealities that result in high oscillations in the divider’s response. The high voltage arm’s capacitance also exhibits frequency dependency which is compensated in the new low voltage arm by adding a compensation branch to the printed circuit board. Together with simulations and step response testing, analysis of different improvements are carried out in order to improve divider’s dynamic performance. The compensation is also tuned with step response tests. The uncertainty contributions are studied with different testing setups or by estimation.
The different standard uncertainties for the voltage divider are examined and uncertainty analysis performed using a reference measurement system method. The peak voltage and time parameter uncertainties are presented and compared for three different measurement systems. Accuracy of the time to half value is successfully improved by the added compensation.
Vanhaa olemassa olevaa järjestelmää kehitettiin suunnittelemalla ja rakentamalla uusi alajänniteosa vaimennettuun kapasitiiviseen jännitteenjakajaan, sekä uusi mittauskaapeli. Järjestelmän jännitteenjakajan yläjänniteosan komponentit osoittivat epäideaalisuuksia, mikä aiheutti järjestelmän vasteeseen suuria värähtelyjä. Yläjänniteosan kapasitanssi oli taajuusriippuvaa, joka on kompensoitu uudessa alajänniteosassa lisäämällä alajänniteosan piirilevyn kondensaattoreiden rinnalle kompensointihaara. Erilaisten parannuskeinojen toimivuutta on analysoitu yhdessä simulointien ja askelvastemittausten avulla. Myös kompensointihaara on mitoitettu askelvastetta käyttäen. Epävarmuustekijät on määritetty erilaisilla testausjärjestelyillä tai arvioimalla.
Kullekin vaihtoehtoiselle mittausjärjestelmälle on laskettu kokonaisepävarmudet standardiepävarmuuksien ja referenssijärjestelmän kanssa suoritettujen vertailumittausten pohjalta. Kolmelle eri mittausjärjestelmälle määritetyt kokonaisepävarmuudet jännitteen huippuarvolle sekä aikaparemetreille on esitetty ja erisysteemejä vertailtu keskenään. Salamasyöksyjännitteen selän puoliarvoajan epävarmuus on parantunut huomattavasti suunnitellun kompensointihaaran avulla.