Smart Grids sollen Stromnetze stabil halten, erneuerbare Energien integrieren und bidirektionale Energieflüsse aus Windparks, Solaranlagen und Elektroautos steuern. Damit das gelingt, benötigen sie präzise Messdaten.
Spannungssensoren erfassen diese Daten und ermöglichen es, Netzschwankungen frühzeitig zu erkennen, Fehler schneller zu lokalisieren und Energieflüsse zuverlässig zu überwachen.
In diesem Artikel erfahren Sie, wie
Ein Smart Grid ist ein intelligentes Stromnetz, das Energieerzeuger, Speicher und Verbraucher miteinander verbindet.
Dazu gehören:
Da diese Anlagen an unterschiedlichen Orten Energie erzeugen, muss das Stromnetz ihre Energieflüsse überwachen. Sensoren erfassen dafür die Spannung und den Energiefluss im gesamten Netz.
Smart Grids müssen erkennen, wie sich Spannung und Energiefluss im Netz verändern. Spannungssensoren liefern dafür die notwendigen Messwerte.
Sie übernehmen drei zentrale Funktionen:
Widerstände helfen Spannungssensoren dabei, hohe Spannungen im Smart Grid kontrolliert und präzise zu messen. Sie teilen die Spannung auf einen messbaren Bereich herunter.
Der Widerstand ist dabei ein passives Bauteil im Sensor. Seine elektrischen Eigenschaften beeinflussen die Messgenauigkeit und machen Veränderungen im Netz sichtbar.
Für die Messgenauigkeit sind mehrere Eigenschaften des Widerstands wichtig:
Frühere Spannungssensoren arbeiteten häufig mit kapazitiven Spannungsteilern. Mit steigenden Anforderungen an die Messgenauigkeit setzen viele Anwendungen heute auf Widerstandsteiler. Sie ermöglichen eine präzisere Spannungsmessung und helfen dabei, die geforderten Genauigkeitsklassen moderner Smart Grids einzuhalten.
Für hochpräzise Spannungssensoren müssen Widerstände ihren elektrischen Wert auch bei Temperaturschwankungen möglichst konstant halten. Bereits kleinste Abweichungen können die Messgenauigkeit beeinflussen. Deshalb werden für Smart-Grid-Anwendungen besonders stabile Hochpräzisionswiderstände eingesetzt.
Der Widerstand für einen Spannungssensor in einem Smart Grid entsteht in mehreren Schritten auf einem runden Keramiksubstrat. Als Material kommt häufig Aluminiumoxid-Keramik zum Einsatz.
Darauf wird das Widerstandslayout per Siebdruck aufgebracht. Die Paste enthält metallische Bestandteile und Glaspartikel. Das Layout bestimmt unter anderem den späteren Widerstandswert. Die Dickschicht ist dabei etwa 10 µm dick.
Anschließend wird das Layout bei etwa 850 °C gesintert. Dabei verbindet sich das Material dauerhaft mit dem Trägersubstrat.
Nach dem Sintern erhält der Widerstand eine Schutzschicht. Sie schützt das Bauteil vor äußeren Einflüssen. Danach folgen die elektrischen Kontaktierungen.
Der gesamte Fertigungszyklus kann bis zu drei Wochen dauern. Die genaue Dauer hängt von der Stückzahl und den erforderlichen Prozessschritten ab.
Widerstände für Smart Grids werden mit der Blitzschlagprüfung (Lightning-Impulse-Test) geprüft. Dabei zählen die geforderte Genauigkeitsklasse und das Verhalten bei kurzen Hochspannungsimpulsen.
Hintergrund: Im späteren Einsatz müssen Widerstände hohe elektrische Belastungen aushalten.
Je nach Größe des Spannungssensors kommen unterschiedliche Prüfspannungen zum Einsatz:
Die Prüfwerte richten sich nach der Sensorgröße und der späteren Anwendung. So lässt sich feststellen, ob der Widerstand den elektrischen Belastungen standhält.
In Folge 3 „Unter Strom“ geht es um die Widerstände der Miba Resistors. Wer die Technik hinter Spannungssensoren und Hochspannungsanwendungen aus einer anderen Perspektive hören möchte, findet hier den passenden Einstieg.
Der Verguss gehört zur Gesamtanwendung eines Spannungssensors im Smart Grid. Seine Ausführung wird gemeinsam mit den elektrischen Anforderungen betrachtet.
Eine Kombination ist sinnvoll, wenn mehrere Widerstandsfunktionen in einer Bauform zusammenkommen sollen. So lassen sich Mess-, Leistungs- und Hochspannungswiderstände in einer Bauform verbinden.
A combination is useful when multiple resistor functions need to be integrated into a single package. This allows measurement, power, and high-voltage resistors to be combined into a single package.
Bei 2.000 Watt muss die entstehende Wärme aus dem Bauteil abgeführt werden. Dafür ist eine aktive Kühlung erforderlich. Die Kühlung muss deshalb bereits bei der Integration in die Anwendung berücksichtigt werden.
