DE1516128A1 - Arrangement for the measurement of high and extremely high voltage pulses, surge voltages and other alternating voltages - Google Patents

Description

Anordnung zur Messung von hohen und höchsten Hochspannungsimpulsen, Sto#spannungen und sonstigen Wechselsannungen Zur Messung von Hochspannungsimpulsen, Stoßspannungen und sonstigen hohen Wechselspannungen ist s bekannt und Ublich, einen Spannungsteiler zu verwenden, den man zwischen die zu messende Hochspannung und Erde bzw. zwischen das an die Hochspannung angeschlossene PrUfobJekt und Erde legt und an dem man die dem Meßgerät, z. B. Oszillographen zuzufUhrende niedrige Meßspannung abgreift. Die Verbindung zwischen dem niederspannungsseitigen Ausgang des Spannungsteilers und dem Meßgerät erfolgt in der Regel Uber ein als Koaxialkabel ausgeführtes Meßkabel, so daß das Meßgerät außerhalb des Gefahrenbereiches der Hochspannung liegt. Die Spannungsteiler sind entweder ohmsche oder kapazitive Teiler. Arrangement for measuring high and highest high voltage pulses, Surge voltages and other alternating voltages For measuring high voltage pulses, Impulse voltages and other high alternating voltages are known and customary, a Use a voltage divider that is placed between the high voltage to be measured and Earth or between the test object connected to the high voltage and earth and on which one of the measuring device, z. B. Oscillographs zuUhrende low measuring voltage tapes. The connection between the low-voltage output of the voltage divider and the measuring device is usually carried out via a measuring cable designed as a coaxial cable, so that the measuring device is outside the danger area of the high voltage. the Voltage dividers are either resistive or capacitive dividers.

Bei allen bisher bekannt gewordenen ohmschen Spannungsteilern - bestehend vornehmlich aus kontinuierlich und induktivitätsarm gewickelten Drahtwiderständen von einer der Zu messenden Spannung entsprechenden Länge - stört vor allem die kontinuierlich am Widerstand angreifende Erdverkettungskapazität, also das zwischen dem Widerstand und dem Erdpotential sich aufbauende, elektrische Feld. Dadurch werden die hochfrequenten Vorgänge, noch ehe sie den Niederspannungsteil des Widerstandes erreichen, als Verschiebungsströme zur Erde abgeleitet.For all ohmic voltage dividers known so far - existing mainly made of continuously wound wire resistors with low inductance of a length corresponding to the voltage to be measured - above all the continuous disturbances Earth linkage capacitance acting on the resistor, i.e. that between the resistor and the electric field that builds up at the earth potential. This will make the high frequency Processes before they even reach the low-voltage part of the resistance, as displacement currents derived to earth.

Die durch diese Kapazitäten längs des Teilers hervorgerufene Potentialverteilung ist damit nichtlinear und weicht von der ohmschen Spannungsverteilung ab. Um diesen schädlichen Einfluß weitgehend auszuschalten, sind schon verschiedene Maßnahmen bekannt geworden. So hat man auf der Teilerspitze einen großen metallischen Schirm angeordnet, um das elektrische Feld längs des Teilers zu vergleichmäßigen und so die Wirksamkeit der Erdverkettungskapazitäten zu verkleinern. Ferner hat man durch den Widerständen des Spannungsteilers parallel geschaltet. Kondnsatoren eine weitgehende homogene kapazitive Spannungsteilung längs der Widerstände zu erzwingen versucht. Diese Anordnung ist unter der Bezeichnung "gemischter Spannungsteiler" bekannt geworden. Die parallel geschalteten Kondensatoren können in ihrer Größe entsprechend abgestuft werden. Es ist auch bekannt, durch eine nichtlineare Aufteilung des Widerstandes die ohmsche Spannungsverteilung der kapazitiven anzugleichen, wobei die kapazitive Spannungsverteilung durch einen kleinen Schirm am Teilerkopf einigermaßen unabhängig von Uogebungseinfldssen gemacht wird. Eine Verkleinerung der störenden Erdkapazität kann in einfacher Weise auch durch eine Verkleinerung der Bauhöhe des Teilers erzielt werden. In diesem Falle muß der Teiler in hochwertige Isolationsmittel (Druckluft, Stickstoff unter erhöhtem Druck, Öl) eingebaut werden. Auch dieses Verfahren wurde bereits angewandt, fUhrt aber dazu, daß der Teiler nur für sehr kurze Spannungsimpulse (etwa -1 s) geeignet wird. Die Ursache liegt darin, daß sich der Energieumsatz auf kleinstem Raum zusammenballt und eine unzulässig starke Erwärmung des Widerstandsmaterials hervorruft. Zur Messung von Spannungsimpulsen von c its Länge werden gelegentlich extrem niederohmige ohmsche Spannungsteiler verwendet, bei denen durch den kleinen Teilerwiderstand von 500 ... 1000SL der Einfluß der störenden Erdkapazitäten weitgehend verschwindet. Diese Teilerart ist ebenfalls nur für die Messung sehr kurzer Spannungsimpulse geeignet, da der kleine Teilerwiderstand die Spannungsquelle sehr stark belastet und nach kurzer Zeit die Impulse verflacht.The potential distribution caused by these capacitances along the divider is therefore non-linear and deviates from the ohmic voltage distribution. To this one To largely eliminate harmful influence are already various measures known. So you have a big one on the tip of the divider metallic Screen arranged to even out the electric field along the divider and thus to reduce the effectiveness of the earth linkage capacities. Furthermore has connected in parallel through the resistors of the voltage divider. Capacitors To force a largely homogeneous capacitive voltage division along the resistors tries. This arrangement is called "mixed voltage divider" known. The capacitors connected in parallel can vary in size be graded accordingly. It is also known by a nonlinear division of the resistance to adjust the ohmic voltage distribution of the capacitive, whereby the capacitive voltage distribution through a small screen on the divider head to some extent is made independently of training influences. A downsizing of the annoying Earth capacity can easily be achieved by reducing the overall height of the Divider can be achieved. In this case, the divider must be made of high quality insulation (Compressed air, nitrogen under increased pressure, oil). This procedure too has already been used, but leads to the fact that the divider is only used for very short voltage pulses (about -1 s) becomes suitable. The cause lies in the fact that the energy expenditure is on the smallest space and an impermissibly strong heating of the resistance material evokes. To measure voltage pulses of c its length are occasionally extremely low-resistance ohmic voltage divider used, in which by the small Divider resistance of 500 ... 1000SL the influence of the disturbing earth capacities to a large extent disappears. This type of divider is also only used for measuring very short voltage pulses suitable because the small divider resistance puts a very heavy load on the voltage source and after a short time the impulses flattened out.

Alle bisher bekannten kapazitiven Spannungsteiler lassen sich in zwei Gruppen einteilen: Bei der ersten Gruppe wird die Oberspannungskapazität durch zwei Metallelektroden (Kugeln, koaxiale Zylinder) gebildet. Die Niederspannungskapazität besteht aus entsprechenden Niederspannungskondensatoren. Bei der zweiten Gruppe besteht die Oberspannungskapazität aus einer Vielzahl von in Serie geschalteten Einzelkondensatoren, die vornehmlich aus Ölpapierwickeln aufgebaut sind. Die Niederspannungskapazität wird entsprechend aus geeigneten Einzelkondensatoren aufgebaut. Bei allen Kondensatoren dieser Art wird die Übertragung sehr hochfrequenter Vorgänge (Frequenzen 1 MHz) ganz entscheidend durch die stets endliche Induktivität der Kondensatoren gestört, wie eine eingehende theoretische und praktische Untersuchung gezeigt hat. Diese Störungen lassen sich auch dann nicht beseitigen, wenn der durch die Zuleitungen zum kapazitiven Spannungsteiler gebildete Serienresonanzkreis (Induktivität der Zuleitungen, Kapazität des Spannungsteilers) durch einen im Zuge der Zuleitungen eingebauten Dämpfungswiderstand vollkommen bedämpft wird. So stellen alle bisher bekannten Konstruktionen von Spannungsteilern entweder Sonderlösungen dar die nur für Spezialzwecke, nämlich sehr kurze Spannungsimpulse verwendet werden können oder aber die bei sehr hochfrequenten Vorgängen auftretenden physikalischen Erscheinungen nur unbefriedigend beherrschen.All previously known capacitive voltage dividers can be divided into two Divide groups: In the first group, the high-voltage capacity is divided by two Metal electrodes (spheres, coaxial cylinders) are formed. The low voltage capacity consists of corresponding low-voltage capacitors. In the second group the high-voltage capacitance consists of a large number of series-connected Individual capacitors, which are mainly made up of oil paper wraps. The low voltage capacity is constructed accordingly from suitable individual capacitors. With all capacitors this type of transmission of very high-frequency processes (frequencies 1 MHz) decisively disturbed by the always finite inductance of the capacitors, as an in-depth theoretical and practical investigation has shown. These Faults cannot be eliminated even if the supply lines Series resonance circuit formed as a capacitive voltage divider (inductance of the Supply lines, capacity of the voltage divider) by one in the course of the supply lines built-in damping resistor is completely damped. So put everyone so far known constructions of voltage dividers either represent the only special solutions for special purposes, namely very short voltage pulses can be used or but the physical phenomena that occur with very high-frequency processes master only unsatisfactorily.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Messung von hohen und höchsten Spannungsimpulsen, Stoßspannungen und sonstigen Wechselspannungen mit Hilfe eines Spannungsteilers zu schaffen, bei der die oben geschilderten Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden sind und die es insbesondere ermöglicht, einmalig oder nach großen Pausenzeiten auftretende unipolare Spannungsimpulse zu messen, die unsymmetrisch gegen das Erdpotential auftreten und deren Impulsdauer kleiner bzw. erheblich kleiner als is ist, sowie auch Langwellenprüfungen an Prüfobjekten durchzuführen. Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß Spannungsimpulse mit Hilfe des Fourier-Integrals in kontinuierliche Frequenzspektren zerlegt werden können, sich somit aus einer unendlichen Vielzahl von harmonischen Spannungsschwingungen zusammensetzen. Es zeigt sich ganz allgemein, daß ein Zeitimpuls umso höhere Frequenzanteile enthält, je kurzer die Impulsdauer wird. Eine Meßanordnung und insbesondere ein Spannungsteiler muß daher alle harmonischen Spannungsschwingungen ungedämpft und möglichst unverzögert übertragen, die im zu messenden Spannungsimpuls enthalten sind. Im Idealfall müßte somit das Teilerverhältnis des Spannungsteilers unabhängig von der Frequenz sein, oder, mit anderen Worten, die Übergangs funktion eines Spannungsteilers auf eine Schrittfunktion müßte - abgesehen von der durch das Teilerverhältnis verringerten Amplitude - wiederum eine Schrittfunktion sein.The object of the invention is to provide an arrangement for measuring high and highest voltage pulses, surge voltages and other alternating voltages with Help to create a voltage divider, in which the disadvantages outlined above the known arrangements are avoided and which makes it possible, in particular, once or to measure unipolar voltage pulses occurring after long pauses, which occur asymmetrically with respect to the earth potential and their pulse duration is shorter respectively. is considerably smaller than is, as well as long-wave tests to be carried out on test objects. The invention is based on the knowledge that voltage pulses can be broken down into continuous frequency spectra with the aid of the Fourier integral can thus be made up of an infinite number of harmonic voltage oscillations put together. It can be seen quite generally that a time pulse has all the higher frequency components contains, the shorter the pulse duration becomes. A measuring arrangement and in particular a Voltage divider must therefore undamped and all harmonic voltage oscillations are transmitted with as little delay as possible, which are contained in the voltage pulse to be measured are. In the ideal case, the division ratio of the voltage divider should therefore be independent on the frequency, or, in other words, the transition function of a voltage divider on a step function - apart from the one reduced by the divider ratio Amplitude - again, be a step function.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von hohen und höchsten Spannungsimpulsen, Stoßspannungen und sonstigen Wechselspannungen mit Hilfe eines aus einer Mehrzahl von Kondensatoren und ohmschen Widerständen aufgebauten Spannungsteilers, der einen nahe am niederspannungsseitigen Ende liegenden Abgriff für die dem Meßgerät zuzuführende niedrige Meßspannung aufweist. Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Spannungsteiler aus einer Mehrzahl von in Serie geschalteten, je aus einem Kondensator und einem mit ihm in Reihe geschalteten ohmschen Widerstand gebildeten Teilerelementen besteht.The invention relates to an arrangement for measuring high and highest Voltage pulses, surge voltages and other alternating voltages with the help of a voltage divider made up of a plurality of capacitors and ohmic resistors, the one located close to the low-voltage end for the measuring device has to be supplied low measuring voltage. The object set is according to the invention solved in that the voltage divider consists of a plurality of series-connected, each from a capacitor and an ohmic resistor connected in series with it formed divider elements.

In Fig. 1 ist das Ersatzschaltbild eines Spannungsteilers, wie er bei einer Anordnung gemäß der Erfindung verwendet wird, dargestellt. Er besteht aus einer Mehrzahl von ohmschen Widerständen und Kondensatoren. Jedes der in Serie geschalteten Teilerelemente wird von einem Widerstand und einem mit ihm in Reihe geschalteten Kondensator gebildet, die im Ersatzschaltbild mit RV bzw. C' bezeichnet sind. Das Ersatzschaltbild berücksichtigt alle an einem räumlich ausgedehnten, weitgehend homogen aufgebauten Spannungsteiler wirksamen Einflüsse. Die eingezeichneten Induktivitäten L' können den Widerständen R', den Kondensatoren C' und den zur Zusammenschaltung notwendigen Verbindungsleitungen anhaften. Mit r e sind die Erdkapazitäten dargestellt und damit das Eigenfeld des Spannungsteilers berücksichtigt. Wenn n die Gesamtzahl der in Serie geschalteten Teilerelemente ist, ergibt sich der gesamte Teilerwiderstand zu R=n.R?, die gesamte Teilerinduktivität zu L=nZ', die gesamte Teilerkapazität zu C=C1 und die gesamte Erdkapazität zu Ce=n Ce'. Der HochspannungsZmpuls uh (t) soll durch den Teiler in einen nur amplitudenmäßig verkleinerten Ausgangsimpuls un (t) umgewandelt werden. Die physikalische Wirkungsweise dieses Teilers bei der Übertragung hoher Frequenzen ist sofort erkennbar, wenn die Kapazität C' als leitende Verbindung, also als nicht vorhanden aufgefaßt wird, was bei hohen Frequenzen absolut zulässig ist. Damit liegt das Ersatzschaltbild eines homogenen, verlustbehafteten Leitungsstückes vor, das am Teilerkopf A offen und am Teilerende E kurzgeschlossen ist. Trifft nun auf den Punkt A eine plötzliche auf ihren Maximalwert ansteigende Spannung (Schrittspannung), so läuft sowohl eine Spannungs- als auch Stromwelle in den Teiler ein, um am Teilerende E mehr oder weniger reflexionsfrei zur Erde abgeführt zu werden.In Fig. 1 is the equivalent circuit diagram of a voltage divider like him is used in an arrangement according to the invention. He exists from a plurality of ohmic resistors and capacitors. Each of the series switched divider elements are connected to a resistor and a line switched capacitor formed, which are designated in the equivalent circuit with RV or C ' are. The equivalent circuit takes into account all of them in a spatially extended, largely homogeneously constructed voltage divider effective influences. The inductances shown L 'can use the resistors R', the capacitors C 'and the interconnection the necessary connecting lines. The earth capacities are shown with r e and thus the inherent field of the voltage divider is taken into account. If n is the total number the divider elements connected in series, the total divider resistance results to R = n.R ?, the total divider inductance to L = nZ ', the total divider capacitance to C = C1 and the total earth capacitance to Ce = n Ce '. The high voltage pulse uh (t) should be converted into an output pulse that is only reduced in amplitude by the divider un (t) can be converted. The physical mode of action of this divider in the Transmission of high frequencies is immediately recognizable when the capacitance C 'is considered conductive Connection, that is, is perceived as non-existent, which is absolute at high frequencies is permissible. This is the equivalent circuit diagram of a homogeneous, lossy Line section, which is open at the divider head A and short-circuited at the divider end E. is. If now point A meets a sudden rising to its maximum value Voltage (step voltage), both a voltage and a current wave run into the divider in order to return to earth at the divider end E more or less reflection-free to be led away.

Eine echte und saubere Spannungsteilung wird erreicht, wenn sich die Spannung möglichst kontinuierlich von A aus stetig verkleinert, um schließlich am Teilerende E auf den Wert Null abzusinken. Die eine derartige Dämpfung hervorrufenden Elemente sind die Widerstände R'. Sind diese Widerstände sehr groß, so wird die einlaufende Spannung bereits unzulässig klein, noch ehe das Teilerende E erreicht wird. Sind die Widerstände zu klein, so trifft auf das Teilerende E noch ein endlicher und zu großer Spannungswert, der reflektiert wird und, in den Teiler zurücklaufend, am Niederspannungsabgriff un unerwünschte Schwingungen erzeugt. Eine sinnvolle Bedämpfung des Teilers wird erreicht, wenn der gesamte Dämpfungswiderstand (Teilerwiderstand) der Bedingung gehorcht. Weiterhin läßt sich nachweisen, daß die an un erscheinende Übergangsfunktion umso rascher ansteigt (und damit die übertragbare Grenzfrequenz umso höher wird), je kleiner die Laufzeit des Teilers ist. Eine kleine Laufzeit des Teilers läßt sich aber entweder durch eine kleinere Erdkapazität C, e oder durch eine kleine Induktivität L erreichen - stets vorausgesetzt, daß der kleinstmögliche zur Dämpfung des Teilers notwendige Gesamtwiderstand R gemäß obiger Gleichung eingeschaltet wird. Eine Verkleinerung der Erdkapazität ist, unabhängig von den dadurch bedingten, komplizierten Konstruktionen, aber deshalb nicht sinnvoll, weil dadurch der notwendige Gesamtwiderstand erhöht werden muß. Eine kleine Induktivität L kann hingegen bei Verwendung induktionsarmer Kondensatoren C' und Widerstände R' leicht erreicht werden.A real and clean voltage division is achieved when the voltage decreases steadily from A as continuously as possible, in order to finally drop to zero at the divider end E. The elements causing such a damping are the resistors R '. If these resistances are very high, the incoming voltage is already inadmissibly small before the divider end E is reached. If the resistances are too small, a finite and excessively large voltage value hits the divider end E, which is reflected and, running back into the divider, generates unwanted oscillations at the low-voltage tap. Sensible damping of the divider is achieved if the entire damping resistance (divider resistance) meets the condition obey. Furthermore, it can be shown that the transition function, which does not appear, increases the faster (and thus the transferable cut-off frequency becomes higher) the shorter the running time of the divider is. A short running time of the divider can be achieved either by a smaller earth capacitance C, e or by a small inductance L - always provided that the smallest possible total resistance R necessary for damping the divider is switched on according to the above equation. A reduction in the earth's capacitance is irrespective of the complicated constructions caused by it, but does not make sense because the necessary total resistance has to be increased as a result. On the other hand, a small inductance L can easily be achieved when using low-inductance capacitors C 'and resistors R'.

Mit dieser Teilerart kann somit die physikalische Grenze jeder Spannungsteilung mit einem räumlich ausgedehnten Gebilde dann erreicht werden, wenn die Laufzeit so groß wird, daß sie der Lichtgeschwindigkeit als Grenzwert für die Ausbreitungsgeschwindigkeit aller elektromagnetischen Vorgänge entspricht.With this type of divider, the physical limit of each voltage division with a spatially extended structure can be reached when the running time becomes so great that it corresponds to the speed of light as the limit value for the speed of propagation of all electromagnetic processes.

Als Grenzwert der Induktivität L ergibt sich physikalisch der Wert des gestreckten Teilers, der mit ca. 1 pH pro Meter Teilerlänge erreicht wird.The physical limit for inductance L is the value of the stretched divider, which is achieved with approx. 1 pH per meter of divider length.

Die Serienschaltung der Kapazitäten CI beeinträchtigt alle geschilderten elektromagnetischen Vorgänge in keiner Weise. Diese Serienschaltung ist aber wesentlich für eine praktische und universelle Anwendung des Spannungsteilers. Bei langsameren und damit niederfrequenteren Meßspannungen erhöht sich der Gesamtwiderstand des Teilers wesentlich und kann in erster Annäherung aus (n + w) berechnet werden. Mit der zunehmenden Hochohmigkeit verringern sich alle Rückwirkungen auf die vorhandenen Spannungsquellen. Sehr wesentlich wird dadurch auch der Energieumsatz in den Widerständen R'im Vergleich zu einem rein ohmschen Teiler mit dem Gesamtwiderstand R reduziert, da nur bei Spannungsänderungen der Teiler von Strömen durchflossen wird.The series connection of the capacitances CI affects all of the above electromagnetic processes in any way. However, this series connection is essential for a practical and universal application of the voltage divider. With slower ones and thus lower-frequency measurement voltages, the total resistance of the increases Teilers essential and can be calculated as a first approximation from (n + w). With The increasing high resistance reduces all repercussions on the existing ones Voltage sources. This also makes the energy consumption in the resistors very important R 'reduced compared to a purely ohmic divider with the total resistance R, because currents flow through the divider only when the voltage changes.

Die vielfältige Serienschaltung von Widerständen und Kondensatoren bis zum Niederspannungsabgriff ist für das einwandfreie Arbeiten des Teilers wesentlich, wobei aber andererseits auch keine übertrieben große Unterteilung vorgenommen werden muß.The diverse series connection of resistors and capacitors up to the low voltage tap is essential for the correct operation of the divider, on the other hand, however, no exaggerated subdivision is made got to.

Da die Grenzfrequenz fb des Teilers etwa dann erreicht ist, wenn die Wellenlänge x b der doppelten Teilerlänge entspricht (R befb=c ; c = Lichtgeschwindigkeit), kann die physikalische Ubertragungsgrenze auch durch die Antennenwirkung des Teilers erklärt werden: Die hohen Frequenzen werden als elektromagnetische Wellen vom Teiler abgestrahlt. Es genügt daher auch, wenn ein einzelnes R'C'-Glied des Teilers eine Längenabmessung besitzt, die etwa T b ist. Daraus resultieren mindestens 5 Unterteilungen. Aber auch mit noch weniger Unterteilungen können schon bessere Ergebnisse erzielt werden als mit der Serienschaltung nur eines Widerstandes und eines Kondensators, die an sich bereits bekannt ist, jedoch aus gänzlich anderen Gründen angewendet wurde.Since the cutoff frequency fb of the divider is reached when the Wavelength x b corresponds to twice the divider length (R befb = c; c = speed of light), the physical transmission limit can also be determined by the antenna effect of the divider can be explained: The high frequencies are called electromagnetic waves by the divider radiated. It is therefore sufficient if a single R'C 'element of the divider is a Has a length dimension that is about T b. This results in at least 5 subdivisions. But even fewer subdivisions can achieve better results are considered with the series connection of only one resistor and one capacitor, which is already known per se, but used for completely different reasons became.

Eine mit einem derartigen Spannungsteiler aufzubauende Stoßspannungsmeßanordnung gemäß der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Der zwischen den Punkten 1 und 2 su messende Hochspannungsimpuls uh(t) wird in bekannter Weise über eine möglichst kurze Zuleitung L und die erdseitige Verbindung zwischen 2 und E dem eigentlichen Spannungsteiler zugeführt. Die erdseitige Verbindung wird dabei möglichst aus großen Metallplatten oder Metallgittern hergestellt, um Potentialdifferenzen innerhalb dieser Verbindung zu vermeiden. Die Zuleitung L wird vor allem bei größerer Länge zweckmäßig mit einem Dämpfungswiderstand RL bedämpft, der vorzugsweise so groß gewählt wird, daß er dem Wellenwiderstand der Zuleitung entspricht. Er ist unmittelbar am Anfang der Zuleitung anzubringen. Der Aufbau des Spannungsteilers zwischen A und E setzt sich aus dem Hochspannungsteil mit den in Serie geschalteten Widerständen R1 und Kondensatoren C11 zusammen und aus dem Niederspannungsteil mit dem Gesamtwiderstand R2 und der Gesamtkapazität C2. Die Größe von R2 und C2 wird vom Übersetzungsverhältnis des Teilers bestimmt. Soll beispielsweise die am Niederspannungsabgriff N auftretende Spannung 1/1000 der zu messenden Spannung betragen, so muß R2= M R1' und C2=1000#C1 gemacht werden, wenn C1 die sich aus der Serienschaltung aller Elemente C1 ' ergebende Kapazität ist. Die wegen der Höhe der zu messenden Spannungen notwendigen, großen Teilerverhältnisse bedingen somit fast ausnahmslos Niederspannungselemente, deren Widerstand R2 erheblich kleiner ist als der Teilwiderstand Reines Hochspannungselementes bzw. deren Kapazität C2 erheblich größer ist als die Teilkapazität C1' ' eines Hochspannungselementes.An impulse voltage measuring arrangement to be set up with such a voltage divider according to the invention is shown in FIG. The one between points 1 and 2 su measured high voltage pulse uh (t) is in a known manner over a possible short supply line L and the earth-side connection between 2 and E the actual Voltage divider supplied. The earth-side connection is made up of large ones as far as possible Metal plates or metal grids made to keep potential differences within to avoid this connection. The supply line L is especially large if the length is greater expediently damped with a damping resistor RL, which is preferably chosen to be so large is that it corresponds to the wave resistance of the supply line. He is immediately on To be attached at the beginning of the supply line. The structure of the voltage divider between A and E is made up of the high-voltage part with the resistors connected in series R1 and capacitors C11 together and from the low voltage part with the total resistance R2 and the total capacity C2. The size of R2 and C2 is determined by the gear ratio of the divider. Should, for example, occur at the low voltage tap N If the voltage is 1/1000 of the voltage to be measured, then R2 = M R1 'and C2 = 1000 # C1 can be made when C1 is the result of the series connection of all elements C1 ' Capacity is. The large ones necessary because of the level of the voltages to be measured Divider ratios therefore almost without exception require low-voltage elements, their Resistance R2 is considerably smaller than the partial resistance of the pure high-voltage element or whose capacitance C2 is considerably greater than the partial capacitance C1 ″ of a high-voltage element.

Da auch die unvermeidliche Längsinduktivität L' (siehe Fig. 1) dem Übersetzungsverhältnis entsprechen muß, muß der Niederspannungsteil extrem induktionslos aufgebaut werden, d.h. die Serienresonanz Jedes RLC-Teilerelementes muß gleich groß sein.Since the inevitable series inductance L '(see Fig. 1) the Must correspond to the transmission ratio, the low-voltage part must be extremely non-inductive be built up, i.e. the series resonance Each RLC splitter element must be of the same size be.

Wird die Ausgangsspannung nicht unmittelbar an N gemessen, so muß ein als Koaxialkabel ausgebildetes, möglichst dämpfungsarmes Meßkabel K die Übertragung des Impulses zum Meßgerät, beispielsweise einem Oszillographen 0 übernehmen. Um Impulsverzerrungen im Meßkabel zu vermeiden, wird zwischen dem Niederspannungsabgriff N und dem Meßkabel ein Widerstand eingeschaltet, der seiner Größe nach Z-R2 entspricht, wenn Z der bei hohen Frequenzen wirksame Wellenwiderstand des Kabels ist. Dabei wird angenommen, daß das Meßgerät einen gegenüber dem Wellenwiderstand Z des Kabels hohen Eingangswiderstand besitzt, so daß der zum Meßgerät laufende Spannungsimpuls am Meßgerät-Eingang durch die Reflexion verdoppelt wird. Die reflektierte Welle wird dann aber Ufer die Niederspannungskapazität C2 reflexionsfrei abgeführt, da sie resultierend die beiden Widerstände (Z-R2)+R2 = Z vorfindet. Es sei noch erwähnt, daß das Meßkabel auch mit einem mehrfachen Kabelmantel ausgeführt sein kann, um eine bessere Abschirmung der durch den Hochspannungsimpuls uh(t) hervorgerufenen elektromagnetischen Vorgänge zu erreichen.If the output voltage is not measured directly at N, then must a measuring cable K designed as a coaxial cable and with as little attenuation as possible provides the transmission of the pulse to the measuring device, for example an oscilloscope 0. Around To avoid pulse distortion in the measuring cable, is between the low voltage tap N and the measuring cable switched on a resistor, which corresponds to its size according to Z-R2, if Z is the characteristic impedance of the cable effective at high frequencies. Included it is assumed that the measuring device has an opposite characteristic of the characteristic impedance Z of the cable has high input resistance, so that the voltage pulse running to the measuring device at the measuring device input is doubled by the reflection. The reflected wave however, if the bank then discharges the low-voltage capacitance C2 without reflection, there as a result, it finds the two resistances (Z-R2) + R2 = Z. It should also be mentioned that the measuring cable can also be designed with a multiple cable sheath to better shielding of those caused by the high voltage pulse uh (t) to achieve electromagnetic processes.

Die technische Ausführung der für den Spannungsteiler notwendigen Widerstände und Kondensatoren kann beliebig sein, sollte aber vornehmlich auf möglichst induktionsarme Konstruktionen beschränkt werden, wenn die der Teilerlänge entsprechende bestmögliche Bandbreite erreicht werden soll. In Fig. 3 ist als Beispiel ein Ausschnitt aus dem Hochspannungsteil eines Spannungsteilers dargestellt, der aus bekannten keramischen Plattenkondensatoren C1 und Schichtwiderständen Ril aufgebaut ist, wobei der Widerstand R1, vorzugsweise aus mehreren parallelgeschalteten Schichtwiderständen besteht. Die Kondensatorbeläge sind mit B bezeichnet. Ein zu Versuchs- und Erprobungszwecken ausgeführter Spannungsteiler für etwa 1 MV-Stoßspannung wurde aus insgesamt vierzig Plattenkondensatoren und der entsprechenden Zahl von SchichtwiderstSnden aufgebaut.The technical design of the necessary for the voltage divider Resistors and capacitors can be any, but should primarily be as possible Low induction constructions are limited if the length of the divider corresponds the best possible bandwidth should be achieved. In Fig. 3 is a section as an example shown from the high voltage part of a voltage divider, the known from ceramic plate capacitors C1 and sheet resistors Ril is constructed, wherein the resistor R1, preferably made up of several sheet resistors connected in parallel consists. The capacitor plates are marked with B. One for trial and evaluation purposes The voltage divider implemented for about 1 MV surge voltage was forty in total Plate capacitors and the corresponding number of sheet resistors.

Der Hochspannungsteil des Spannungsteilers'kann auch aus Ö1-papierkondensatoren hergestellt werden, wie beispielsweise in Fig. 4 schematisch dargestellt ist. Der Kondensator C11 jedes Teilerelementes besteht beispielsweise aus drei in Serie geschalteten aufeinandergeschichteten Ölpapierwickelkondensatoren K1, K2, E3. Zwischen den einzelnen aus je drei Kondensatoren K1, E2, K3 bestehenden Kondensatoren C11 sind Isolierstoffplatten J angeordnet, um die herum eine Mehrzahl von untereinander parallelgeschalteten Widerständen R11, weckmäßig am Umfang gleichmäßig verteilt, angebracht ist. Vorzugsweise werden Schichtwiderstände oder induktionsarm gewickelte Drahtwiderstände verwendet. Zur Herstellung der Serienschaltung der Kondensatoren und Widerstände sind die Isolierstoffplatten J beispielsweise auf beiden Seiten mit Metallbelägen M1 bzw.The high voltage part of the voltage divider can also consist of oil paper capacitors can be produced, as is shown schematically in FIG. 4, for example. Of the Capacitor C11 of each divider element consists, for example, of three connected in series stacked oil paper wound capacitors K1, K2, E3. Between each Capacitors C11 each consisting of three capacitors K1, E2, K3 are insulating material plates J arranged around which a plurality of mutually parallel-connected Resistors R11, distributed evenly around the circumference, is attached. Preferably sheet resistors or low-induction wire resistors are used. The insulating material plates are used to create the series connection of the capacitors and resistors J, for example, on both sides with metal coverings M1 resp.

M2 versehen, die einerseits mit den anliegenden Kondensatoren K3 bzw. E1, andererseits mit den einen bzw. anderen Klemmen der Widerstände R1, leitend verbunden sind, wie in Fig. 4 schematisch angedeutet ist.M2, which on the one hand are connected to the capacitors K3 resp. E1, on the other hand with one or the other terminals of the resistors R1, conductive are connected, as indicated schematically in FIG.

Der Niederspannungsteil des Spannungsteilers wird, um die Bedingung extrem kleiner Induktivität zu erfüllen, vorzugsweise aus vielen Einzelkondensatoren und Widerständen aufgebaut.The low voltage part of the voltage divider is used to match the condition to meet extremely small inductance, preferably from many individual capacitors and resistors built up.

Fig. 5 zeigt eine erprobte Schaltungsanordnung. Die Einzelkondensatoren C21 liegen beispielsweise zwischen zwei Metallplatten P1, P2 vorzugsweise so, daß jeder Einzelkondensator mit einem Widerstand R21 bedämpft wird. Dies ist deshalb empfehlenswert, weil sich bei sehr hohen Frequenzen innerhalb der Metallplatten Potentialdifferenzen einstellen können, welche ohne Dämpfungswiderstände die parallel. geschalteten Eondensatoren zur Parallelresonanz anregen. Sofern die Summe dieser Dämpfungswiderstände noch nicht den für das Übersetzungsverhältnis notwendigen Widerstand R2 bildet, werden, wie in Fig. 5 dargestellt ist, weitere Widerstände zwischen den Niederspannungsanschlußpunkt N und die Metallplatte P1 dazu geschaltet.Fig. 5 shows a tried and tested circuit arrangement. The single capacitors C21 are for example between two metal plates P1, P2 preferably so that each individual capacitor is damped with a resistor R21. This is why Recommended because at very high frequencies inside the metal plates Can set potential differences, which without damping resistors the parallel. stimulate switched capacitors to parallel resonance. Unless the sum of these Damping resistors do not yet have the resistance necessary for the transmission ratio R2 forms, as shown in FIG. 5, further resistances between the Low-voltage connection point N and the metal plate P1 connected to it.

Werden diese Widerstände nicht benötigt, wird der Punkt N direkt mit der Platte P1 verbunden. Der Anschluß des Meßkabels -erfolgt zweckmäßig zentrisch zum Niederspannungsteil, wobei es sich empfiehlt, den zur Vermeidung von Reflexionserscheinungen notwendigen Widerstand Z-R2 konstruktiv mit dem Niederspannungsteil zu vereinigen, wie in Fig. 5 angedeutet ist, in der mit MK die Buchse für den Anschluß des Meßkabels bezeichnet ist.If these resistors are not required, the point N is directly included connected to the plate P1. The connection of the measuring cable is expediently carried out centrally to the low-voltage part, whereby it is advisable to use the one to avoid reflection phenomena to constructively combine the necessary resistor Z-R2 with the low-voltage part, as indicated in Fig. 5, in which MK is the socket for connecting the measuring cable is designated.

Da die bei einem senkrecht auf dem Erdboden aufgestellten Spannungsteiler wirksamen Erdkapazitäten Ce V nicht gleick groß sind, sondern entsprechend den von oben nach unten kleiner werdenden Abständen von der Erde nach unten hin größer werden, ist der Wellenwiderstand des Teilers nicht über die Tellerlänge hin konstant, sondern am Teilerkopr A etwas gro#er als am Teilerfuß E. Deshalb kann es zur Erzielung optimaler Ergebnisse zweckmäßig sein, die einzelnen Teilerelemente nicht aus gleich großen Elementen R11 und C1' aufzubauen, sondern sie den veränderten Wellenwiderständen anzupassen0 Dies erfordert nach der für die Größe des Widerstandes gültigen Gleichung einen am Teilerkopf größeren Widerstand 1 als bei den dem Niederspannungsteil nächstliegenden Elementen. Entsprechend wird zweckmäßig auch die zugehörige Kapazität C1 1 etwas verkleinert, um die Zeitkonstanten R11C1, jedes Elementes gleich groß zu machen.Since the earth capacitances Ce V effective with a voltage divider set up vertically on the ground are not the same size, but increase in accordance with the distances from the earth which become smaller from top to bottom, the wave resistance of the divider is greater not constant over the length of the plate, but somewhat larger at divider head A than at divider foot E. Therefore, in order to achieve optimal results, it can be useful not to build the individual divider elements from elements R11 and C1 'of the same size, but to adapt them to the changed wave resistances0 According to the equation valid for the size of the resistor, this requires a larger resistor 1 at the divider head than at the elements closest to the low-voltage part. Correspondingly, the associated capacitance C1 1 is also appropriately reduced somewhat in order to make the time constants R11C1 of each element the same.

Der insgesamt notwendige Gesamtwiderstand Rx R1 des Teilers ist aus physikalischen Gründen nicht groß und kann daher dem Wellenwiderstand der Zuleitung zum Spannungsteiler-oder umgekehrt - angeglichen werden. Dadurch können Reflexionserscheinungen eventuell notwendiger Zuleitungen wirksam verkleinert und vermieden werden.The total necessary total resistance Rx R1 of the divider is off physical reasons not great and can therefore affect the wave resistance of the supply line to the voltage divider or vice versa. This can cause reflective phenomena any necessary supply lines can be effectively reduced in size and avoided.

Claims (7)

Patentansprüche 1. Anordnung zur Messung von hohen und höchsten Spannungsimpulsen, Stoßspannungen und sonstigen Wechselspannungen mit Hilfe eines aus einer Mehrzahl von Kondensatoren und ohmschen Widerständen aufgebauten Spannungsteilers, der einen nahe am niederspannungsseitigen Ende liegenden Abgriff für die dem Meßgerät zuzuführende niedrige Meßspannung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler aus einer Mehrzahl (n) von in Serie geschalteten, je aus einem Kondensator und einem mit ihm in Reihe geschalteten ohmschen Widerstand gebildeten Teilerelementen besteht. Claims 1. Arrangement for measuring high and highest voltage pulses, Surge voltages and other alternating voltages using one of a plurality of capacitors and ohmic resistors built up voltage divider, the one located close to the end on the low voltage side for the tap to be fed to the measuring device having low measuring voltage, characterized in that the voltage divider from a plurality (n) of series-connected, each consisting of a capacitor and a divider elements formed with it connected in series with ohmic resistance. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ohmschen Widerstände der einzelnen Teilerelemente so bemessen sind, daß der von ihnen gebildete gesamte Dämpfungswiderstand (R=nXR') wenigstens annähernd die Bedingung erfüllt, wobei L die gesamte Teilerinduktivität (L=nL') und Ge die gesamte Erdkapazität (Ce=n Ce') des Spannungsteilers bedeutet (Fig. 1).2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the ohmic resistances of the individual divider elements are dimensioned so that the total damping resistance formed by them (R = nXR ') at least approximately the condition fulfilled, where L the total divider inductance (L = nL ') and Ge the total earth capacitance (Ce = n Ce') of the voltage divider (Fig. 1). 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände und Kondensatoren des Spannungsteilers induktionsarm aufgebaut und induktionsarm zusammengeschaltet sind.3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the resistors and capacitors of the voltage divider with low induction and low induction are interconnected. 4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des zwischen dem Meßspannungsabgriff und dem geerdeten, niederspannungsseitigen Ende des Teilers liegenden Teilerelementes zwecks Erzielung einer kleinen Gesamtinduktivität von mehreren parallelgeschalteten Einzelkondensatoren (c21) gebildet ist und der ohmsche Widerstand dieses Teilerelementes aus mehreren einander parallelgeschalteten Einzelwiderständen oder/und aus den Einzelkondensatoren (c21) in Serie vorgeschalteten Einzelwiderständen (R2') besteht (Fig. 5).4. Arrangement according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the capacitance of the between the measuring voltage tap and the earthed, low-voltage side At the end of the divider lying divider element in order to achieve a small one Total inductance is formed by several parallel-connected individual capacitors (c21) and the Ohmic resistance of this divider element from several connected in parallel Individual resistors and / or from the individual capacitors (c21) connected in series upstream Individual resistors (R2 ') consists (Fig. 5). 5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsteil des Spannungsteilers aus unter sich gleich großen Einzelkondensatoren und unter sich gleich großen Einzelwiderständen besteht.5. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the High-voltage part of the voltage divider made up of individual capacitors of equal size and consists of individual resistances of equal size. 6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Hochspannungsanschluß am nächsten liegenden Widerstände und Kondensatoren mit, bezogen auf die Längsausdehnung eines Teilerelementes, höheren Widerstandswerten und kleineren Kapazitätswerten ausgeführt sind, so daß die spezifische Impedanz der Teilerelemente vom Hochspannungsteil zum Niederspannungsteil abnimmt.6. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the Resistors and capacitors closest to the high voltage connection with, based on the longitudinal extension of a divider element, higher resistance values and smaller capacitance values are carried out, so that the specific impedance the divider elements decreases from the high-voltage part to the low-voltage part. 7. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der einzelnen Teilerelemente von den aus Widerstandsmäterial hergestellten Belägen der betreffenden Kondensatoren gebildet wird.7. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the Resistance of the individual divider elements from those made from resistance material Deposits of the capacitors in question is formed.