Erprobung, Weiterentwicklung und Validierung von neuartiger Messtechnik für statische und niederfrequente elektrische und magnetische Felder

Abstract

Freileitungen zur Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) und Hochspannungswechselstromübertragung (HWÜ) sind von elektrischen Feldern umgeben. Das Forschungsvorhaben verfolgte das Ziel, neuartige Messtechnik für die Erfassung von statischen und niederfrequenten elektrischen Feldern zu identifizieren und für Messungen im Einwirkungsbereich von HGÜ und HGÜ-HWÜ-Hybridleitungen anzupassen, zu erproben und zu validieren. Das Messverfahren sollte dabei feldverzerrungsfrei sowie ionenfluss- und potenzial-unabhängig sein und auf einem Mikrosystem basieren. Aufbauend auf der Aufarbeitung des relevanten Stands der Technik und Wissenschaft wurde ein Konzept für ein neues Messsystem zur Messung von statischen und niederfrequenten elektrischen Feldern entworfen und detailliert. Das Messsystem basiert auf einem mikromechanischen System als Wandler, der die elektrische Feldstärke in eine mechanische Auslenkung eines mikromechanischen Balkens überführt. Eine elektrische Ladung wird periodisch auf diesen Balken gebracht, die im zu messenden elektrischen Feld eine Kraft erfährt und so zu einer periodischen Auslenkung des Balkens führt. Die Auslenkungen sind extrem klein, im Bereich von Pikometern, und werden optisch und somit rückwirkungsfrei ausgelesen. Sehr vereinfacht beschrieben führt das periodische Aufbringen von Ladung zu einem „Hochmischen“ des zu messenden Gleichanteils und der niederfrequenten Frequenzanteile des elektrischen Feldes auf die Frequenz der Ladungsaufbringung. Mit dieser Methode wird aus einem Gleichsignal ein Wechselsignal, das deutlich leichter gemessen werden kann. Die im Rahmen des Projektes entwickelte und getestete Elektronik umfasst nicht nur die Auswertung der Auslenkungen, sondern auch die Ansteuerung des Mikrosystems und die Demodulation der Signale. Die Hauptkomponenten der Optik umfassen neben einem Laser, optischen Fasern und einem Kollimator ein Common-Path-Interferometer, welches die Auslenkung des mikromechanischen Balkens mit nur einem Strahlengang misst. Die mechanische Anbindung zwischen Mikrosystem und Kollimator wurde möglichst robust ausgeführt, um Fehler aufgrund von Verformungen zu unterbinden. Zusätzlich wurde eine Temperaturregelung integriert, um die Temperatur im Bereich des Sensors konstant zu halten. Zur Abwehr von Luftionen in der Umgebung des Mikrosystems wurde ein neuartiges Konzept erarbeitet und aufgebaut. Mit einem zusätzlichen elektrischen Feld, das rund um die Mikrostruktur wirkt, sollte das äußere elektrostatische Feld kompensiert und somit die Anlagerung von Luftionen unterbunden werden, die sich grundsätzlich entlang der Feldlinien bewegen. Damit sollte neben einer Anlagerung von Ionen auch die damit einhergehende Entstehung von statischer Elektrizität in Sensornähe verhindert werden.