DE1516128B2 - Arrangement for measuring high and extremely high voltage pulses, surge voltages and other high alternating voltages - Google Patents

Description

Zur Messung von Hochspannungsimpulsen, Stoßspannungen und sonstigen hohen Wechselspannungen ist es bekannt und üblich, einen Spannungsteiler zu verwenden, den man zwischen die "zu messende Hochspannung und Erde bzw. zwischen das an die Hochspannung angeschlossene Prüfobjekt und Erde legt und an dem man die dem Meßgerät, z. B. Oszillographen, zuzuführende niedrige Meßspannung abgreift. Die Verbindung zwischen dem niedcrspannungsseitigen Ausgang des Spannungsteilers und dem Meßgerät erfolgt in der Regel über ein als Koaxialkabel ausgeführtes Meßkabel, so daß das Meßgerät außerhalb des Gefahrenbereiches der Hochspannung liegt. Die Spannungsteiler sind entweder ohmsche oder kapazitive Teiler.For measuring high voltage pulses and surge voltages and other high AC voltages, it is known and customary to use a voltage divider to be used between the high voltage to be measured and earth or between the High-voltage connected test object and earth puts and on which one of the measuring device, z. B. Oscillographs, taps to be supplied low measuring voltage. The connection between the low voltage side The voltage divider and the measuring device are usually output via a coaxial cable Executed measuring cable, so that the measuring device is outside the danger area of the high voltage lies. The voltage dividers are either resistive or capacitive dividers.

Bei allen bisher bekanntgewordenen 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. 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 bekanntgeworden. 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 Erdvcrkettungskapazitäten zu verkleinern. Ferner hat man durch den Widerständen des Spannungsteilers parallelgeschaltete Kondensatoren eine weitgehende homogene kapazitive Spannungsverteilung längs der Widerstände zu erzwingen versucht. Diese Anordnung ist unter der Bezeichnung »gemischter Spannungsteiler« bekanntgeworden. Die parallelgeschalteten 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 Umgebungseinflüssen 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, führt aber dazu, daß der Teiler nur für sehr kurze Spannungsimpulse (etwa :g 1 μϋ) geeignet wird. Die Ursache liegt darin, daß sich der Energieumsatz auf kleinstem Raum zusammenballt und eine unzulässig starke Erwärmung des Widerstandsmatcrials hervorruft. Zur Messung von Spannungsimpulsen von < 1 [jts Länge werden gelegentlich extrem niederohmige ohmsche Spannungsteiler verwendet, bei denen durch den kleinen Teilerwiderstand von 5(X) ... K)(X)U der Einfluß der störenden Erdkapazitäten weitgehend verschwindet. Diese Teilcrart ist ebenfalls nur für die Messung sehr kurzer Spannungsimpulse geeignet, da der kleine Teilerwiderstand die Spannungsquclle sehr stark belastet und nach kurzer Zeit die Impulse verflacht. With all ohmic voltage dividers that have become known to date - consisting primarily of continuous and low-inductance wound wire resistors with a length corresponding to the voltage to be measured - above all the earth linkage capacitance that continuously acts on the resistor interferes, i.e. the electrical field that builds up between the resistance and the earth potential. As a result, the high-frequency processes are diverted to earth as displacement currents before they even reach the low-voltage part of the resistor. The potential distribution caused by these capacitances along the divider is therefore non-linear and deviates from the ohmic voltage distribution. In order to largely eliminate this harmful influence, various measures have already become known. For example, a large metallic screen has been placed on the tip of the divider in order to even out the electric field along the divider and thus to reduce the effectiveness of the earth linkage capacitances. Furthermore, attempts have been made to force a largely homogeneous capacitive voltage distribution along the resistors by means of capacitors connected in parallel with the resistors of the voltage divider. This arrangement has become known as the "mixed voltage divider". The capacitors connected in parallel can be graded accordingly in their size. It is also known to adjust the ohmic voltage distribution to the capacitive one by a non-linear division of the resistance, the capacitive voltage distribution being made more or less independent of environmental influences by a small screen on the divider head. A reduction in the disruptive earth capacitance can also be achieved in a simple manner by reducing the overall height of the divider. In this case, the divider must be built into high-quality insulation (compressed air, nitrogen under increased pressure, oil). This method has also already been used, but leads to the fact that the divider is only suitable for very short voltage pulses (approximately: g 1 μϋ) . The reason for this is that the energy expenditure is concentrated in a very small space and causes the resistance material to heat up in an inadmissibly strong manner. To measure voltage pulses <1 [jts length, extremely low ohmic voltage dividers are occasionally used, in which the influence of the disruptive earth capacitances largely disappears due to the small divider resistance of 5 (X) ... K) (X) U. This subcrart is also only suitable for measuring very short voltage impulses, since the small divider resistance places a heavy load on the voltage source and flattens the impulses after a short time.

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 (Frequenz > 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) durcheinen im Zuge der Zuleitungen eingebauten Dämpfungswiderstand vollkommen bedämpft wird. So stellen alle bisher bekannten Konstruktionen von Spannungsteilern entweder Sondcrlösungen .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 groups: The first Group is the high voltage capacity by two metal electrodes (spheres, coaxial cylinders) educated. The low voltage capacitance consists of corresponding low voltage capacitors. at of the second group, the high-voltage capacitance consists of a large number of series-connected Individual capacitors, which are mainly made up of wraps of oil paper. The low voltage capacity is built up accordingly from suitable individual capacitors. With all capacitors this one Type is the transmission of very high-frequency processes (frequency> 1 MHz) due to the always finite inductance of the capacitors disturbed, as an in-depth theoretical and practical study has shown. These disorders cannot be eliminated even if the through the leads to the capacitive voltage divider Series resonance circuit formed (inductance of the supply lines, capacitance of the voltage divider) The damping resistor built into the supply lines is completely attenuated. So put all known constructions of voltage dividers either special solutions .dar that only for special purposes, namely very short voltage pulses can be used or the at Very high-frequency processes occurring physical phenomena can only be mastered unsatisfactorily.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Messung von hohen und höchsten Spannungsimpulsen, Stoßspannungen und sonstigen hohen 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 1 s 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.The object of the invention is to provide an arrangement for measuring high and highest voltage pulses, Surge voltages and other high AC voltages with the help of a voltage divider create, in which the above-described disadvantages of the known arrangements are avoided and it in particular enables unipolar voltage pulses occurring once or after long pauses to measure which occur asymmetrically with respect to the earth potential and whose pulse duration is shorter or considerably less than 1 s, as well as performing long-wave tests on test objects. the The invention is based on the knowledge that voltage pulses are converted into continuous with the help of the Fourier integral Frequency spectra can be broken down, thus made up of an infinite multitude of harmonics Assemble tension oscillations.

Es zeigt sich ganz allgemein, daß ein Zcitimpuis um so 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 Ubergangsfunktion eines Span-It can be seen quite generally that a Zcitimpuis contains higher frequency components, the shorter the frequency Pulse duration is. A measuring arrangement and in particular a voltage divider must therefore all be harmonics Voltage oscillations are transmitted undamped and as instantaneously as possible, those in the to be measured Voltage pulse are included. In the ideal case, the divider ratio of the voltage divider would have to be be independent of the frequency, or, in other words, the transition function of a span

^ή0 niingstcilers auf eine Schrittfunktion müßte —·■ abgesehen von der durch das Teilerverhältnis verringerten Amplitude - wiederum eine Schrittfunktion sein. ^ή0 niingstcilers to a step function would - apart from the amplitude reduced by the division ratio - again have to be a step function.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur MessungThe invention relates to an arrangement for measuring

⁶S von hohen und höchsten Spannungsimpulsen, Stoßspannungen und sonstigen hohen Wechselspannungen mit Hilfe eines aus einer Mehrzahl von Konden-, saloren und ohmschen Widerständen aufgebauten ⁶ S of high and highest voltage pulses, surge voltages and other high alternating voltages with the help of a number of condensate, saloren and ohmic resistances

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 dieser Spannungsteiler aus einer Mehrzahl von in Serie geschalteten, je aus einem Kondensator und einem mit ihm in Reihe geschalteten ohmschen Widerstand gebildeten, derart bemessenen Teilerelementen besteht, daß das Verhältnis des Gesamtwiderstandes des Hochspannungsteiles und des Gesamtwiderstandes des Niederspannungsteiles dem Teilerverhältnis und das Verhältnis der Gesamtkapazität des Hochspannungsteiles und der Gesamtkapazität des Niederspannungsteiles dem reziproken Wert des Teilerverhältnisses entspricht, daß der Niederspannungsteil des Spannungsteilers induktionsarm ausgebildet ist und daß die ohmschen Widerstände der einzelnen Teilerelemente so bemessen sind, daß der von ihnen gebildete gesamte Dämpfungswiderstand wenigstens annähernd die BedingungVoltage divider, the one close to the low-voltage end. Tap for the dem Has low measuring voltage to be fed to the measuring device. The object set is according to the invention solved in that this voltage divider from a plurality of series-connected, each from one Capacitor and an ohmic resistor connected in series with it, dimensioned in this way Divider elements is that the ratio of the total resistance of the high voltage part and the Total resistance of the low voltage part the divider ratio and the ratio of the total capacitance of the high voltage part and the total capacity of the low voltage part the reciprocal The value of the divider ratio corresponds to the fact that the low-voltage part of the voltage divider has low induction is formed and that the ohmic resistances of the individual divider elements are dimensioned so that the total damping resistance formed by them at least approximately the condition

R * 4 i/i. R * 4 i / i.

erfüljt, wobei L die gesamte Teilerinduktivität und C₁. die gesamte Erdkapazität des Spannungsteilers bedeutet. ^. met, where L is the total divider inductance and C ₁ . means the total earth capacitance of the voltage divider. ^.

Wohl ist bereits ein Spannungsteiler zur Spannungssteuerung eines gasgefüllten Hochspannungsgleichrichters mit Zwischenelektroden bekannt, der eine Kette von in Serie geschalteten Kapazitäten und Widerständen, die zu einer weiteren Kette mit nur ohmschen Widerständen parallel geschaltet ist. aufweist. Diese Anordnung ist jedoch nicht zur wirklichkeitsgetreuen Abbildung von kurzzeitigen Spannungsimpulsen geeignet und auch nicht dazu vorgesehen, zumal dieser Spannungsteiler gar keinen Abgriff für eine einem Meßgerät zuführbare niedrige Meßspannung aufweist. Sie ermöglicht vielmehr nur. im Niederfrequenzbereich dem Hochspannungsgleichrichter eine lineare Spannungsverteilung aufzuprägen.There is already a voltage divider for voltage control a gas-filled high-voltage rectifier with intermediate electrodes known, the one Chain of series-connected capacitances and resistors that form a further chain with only ohmic resistors are connected in parallel. having. However, this arrangement is not intended to be realistic Representation of short-term voltage pulses suitable and also not intended to especially since this voltage divider does not have any tap for a low measuring voltage which can be fed to a measuring device having. Rather, it only enables. the high-voltage rectifier in the low-frequency range to impress a linear stress distribution.

In F i g. 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 R' 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 C₁' sind die Erdkapazitäten dargestellt und damit das Eigenfeld des Spannungsteilers berücksichtigt. Wenn /1 die Gesamtzahl der in Serie geschalteten Teilerelemente ist. ergibt sich der gesamte Teilerwiderstand zu R = η ■ Λ', die gesamte Teilerinduktivität zu L = /1 · L, In Fig. 1 shows the equivalent circuit diagram of a voltage divider as used in an arrangement according to the invention. It consists of a number of ohmic resistors and capacitors. Each of the divider elements connected in series is formed by a resistor and a capacitor connected in series with it, which are denoted by R ' and C, respectively, in the equivalent circuit diagram. The equivalent circuit diagram takes into account all of the effects effective on a spatially extended, largely homogeneously constructed voltage divider. The indicated inductances L can adhere to the resistors R \ the capacitors C and the connecting lines necessary for interconnection. The earth capacitances are shown with C ₁ 'and thus the inherent field of the voltage divider is taken into account. If / 1 is the total number of divider elements connected in series. the total divider resistance results in R = η ■ Λ ', the total divider inductance in L = / 1 · L,

C"
die gesamte Tcilerkapazität zu C = — und die gesamte Erdkapazität zu C₁, = η ■ C₁'.. Der Hochspannungsimpuls U₁₁[I) soll durch den Teiler in einen nur amplitudenmäßig verkleinerten Ausgangsimpuls ⁶S U_nU) 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, verluslbehafteten Leitungsstückes vor, dcis am Teilerkopf I offen und am Teilerende £ kurzgeschlossen ist. Trifft nun auf den Punkt A eine plötzliche auf ihren Maximalwert ansteigende Spannung (Schrittspannung), so läuft sowohl eine Spannungs- als auch Stromwellc'in den Teiler ein, um am Teilerende E mehr oder weniger refiexionsfrei zur Erde abgeführt zu werden.C "
the total divider to C = - and the total earth capacitance to C ₁ , = η ■ C ₁ '.. The high-voltage pulse U ₁₁ [I) is to be converted by the divider into an output pulse ⁶ S U _n U) which is only reduced in amplitude. The physical mode of operation of this divider in the transmission of high frequencies is immediately recognizable if the capacitance C is perceived as a conductive connection, i.e. not present, which is absolutely permissible at high frequencies. This provides the equivalent circuit diagram of a homogeneous, lossy line section, which is open at the divider head I and short-circuited at the divider end £. If a voltage suddenly rises to its maximum value (step voltage) at point A , both a voltage and a current wave enter the divider in order to be discharged to earth at the divider end E more or less without reflection.

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 1/,, unerwünschte Schwingungen erzeugt. Eine sinnvolle Bedämpfung des Teilers wird erreicht, wenn-der gesamte Dämpfungswiderstand (Teilerwidcrstand) der Bedingung __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 too large voltage value hits the divider end E, which is reflected and. running back into the divider, unwanted vibrations generated at the low voltage tap 1 / ,,. A meaningful damping of the divider is achieved if-the entire damping resistance (divider resistance) of the condition __

L_L_ C..C ..

gehorcht. Weiterhin läßt sich nachweisen, daß die an H_n erscheinende Ubergangsfunktion um so rascher ansteigt (und damit die übertragbare Grenzfrequenz um so höher wird), je kleiner die Laufzeit \LC_t, des Teilers ist. Eine kleine Laufzeit des Teilers läßt sich aber entweder durch eine kleinere Erdkapazität C₁. 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.obey. Furthermore, it can be shown that the _{transition function appearing at H n} increases the faster (and thus the transferable cut-off frequency becomes higher), the smaller the transit time \ LC _t , of the divider. A short running time of the divider can be achieved either by a smaller earth capacitance C ₁ . or achieve L through a small inductance - always provided that the smallest possible total resistance R necessary for damping the divider is switched on according to the above equation. A decrease in the earth's capacity is. independent of the complicated constructions caused by it, but therefore not useful because the necessary total resistance has to be increased. 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 \'LC_C so groß wird, daß sie der Lichtgeschwindigkeit als Grenzwert für die Ausbreitungsgeschwindigkeit aller elektromagnetischen Vorgänge entspricht. Als Grenzwert der Induktivität L ergibt sich physikalisch der Wert des gestreckten Teilers, der mit etwa 1 jxH pro Meter Teilerlänge erreicht wird.With this type of divider, the physical limit of each voltage division with a spatially extended structure can be reached when the transit time \ 'LC _{C is} so large that it corresponds to the speed of light as the limit value for the propagation speed of all electromagnetic processes. The limit value of the inductance L is physically the value of the straight divider, which is reached with about 1 jxH per meter of divider length.

Die Serienschaltung der Kapazitäten C 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 ausThe series connection of the capacitances C affects all of the described electromagnetic processes in no way. This series connection is essential for a practical and universal application of the voltage divider. With slower and therefore lower frequency measurement voltages, the Total resistance of the divider is essential and can be seen as a first approximation

berechnet werden. Mit der zunehmenden Hochohmigkcit 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.be calculated. With the increasing high resistance, all repercussions on the existing voltage sources decrease. This also significantly reduces the energy conversion in the resistors R ' compared to a purely ohmic divider with the total resistance R , since 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. Da die Grenzfrequenz/j, des Teilers etwa dann erreicht ist. wenn die Wellenlänge /.,, der doppelten Tcilerlänge entspricht (/.„ \}'_b = c:c = Lichtgeschwindigkeit), kann die physikalische Ubcrtragungsgrcnze 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 K'C'-Glied des Teilers eine Längenabmessung besitzt, die etwa · ?._b ist. DarausThe diverse series connection of resistors and capacitors up to the low-voltage tap is essential for the correct operation of the divider, but on the other hand no excessive subdivision has to be made. Since the cut-off frequency / j, of the divider is reached approximately then. If the wavelength /. ,, corresponds to twice the divider length (/. " \} ' _b = c: c = speed of light), the physical transmission limit can also be explained by the antenna effect of the divider: The high frequencies are emitted as electromagnetic waves by the divider radiated. It is therefore sufficient if a single K'C 'element of the divider has a length dimension that is approximately · ?. _b is. From it

resultieren mindestens fünf Unterteilungen. Aber auch mit noch weniger Unterteilungen können schon bessere Ergebnisse erzielt werden als mit der Serienschaltung nur.cincs Widerstandes und eines Kondcn-· sators, die an sich bereits bekannt ist. jedoch aus gänzlich anderen Gründen angewendeT wurde. -result in at least five subdivisions. But even with fewer subdivisions you can better results can be achieved than with the series connection only. sators, which in itself is already known. however, it was used for entirely different reasons. -

Eine mit einem derartigen Spannungsteiler aufzubauende Stoßspannungsmeßanordnung gemäß der Erfindung ist in F i g. 2 dargestellt. Der zwischen den Punkten 1 und 2 zu messende Hochspannungsimpuls u_h(t) wird in bekannter Weise über eine möglichst kurze Zuleitung L und die erdseitige Verbindung zwischen 2 und £ 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 J?,bcdämpft, 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 .1 und E setzt sich aus dem Hochspannungsteil mit den in Serie geschalteten Widerständen Rl und Kondensatoren C₁' 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 .V auftretende Spannung ' „,„„ derAn impulse voltage measuring arrangement according to the invention to be set up with such a voltage divider is shown in FIG. 2 shown. The high-voltage pulse u _h (t) to be measured between points 1 and 2 is fed to the actual voltage divider in a known manner via the shortest possible lead L and the earth-side connection between 2 and £. The earth-side connection is made from large metal plates or metal grids, if possible, in order to avoid potential differences within this connection. The feed line L is expediently attenuated with a damping resistor J?, Bcd, which is preferably chosen so large that it corresponds to the wave resistance of the feed line. It is to be attached directly at the beginning of the feed line. The structure of the voltage divider between .1 and E consists of the high-voltage part with the series-connected resistors Rl and capacitors C ₁ 'and the low-voltage part with the total resistance R ₂ and the total capacitance C ₂ . The size of R ₂ and C ₂ is determined by the gear ratio of the divider. If, for example, the voltage '",""der

zu messenden Spannung betragen, so muß R₂ = ~ 'voltage to be measured, then R ₂ = ~ '

und C₂ = UXX) · C₁ gemacht werden, wenn C₁ die sich aus der Scricnschaltung aller Elemente C₁' ergebende Kapazität ist. Die wegen der Höhe der zu messenden Spannungen notwendigen, großen Teilervcrhältnisse bedingen somit fast ausnahmslos Nicderspannungselemente. deren Widerstand R₂ erheblich kleiner ist als der Teilwiderstand R₁ eines Hochspannungselcmcntes bzw. deren Kapazität C₂ erheblich größer ist als die Teilkapa/ität C₁' eines Hochspunnungselemcntcs. Da auch die unvermeidliche Längsinduktivität /-' (s. I·' i g. I) dom Γ hciset/ungs\erhällni-> entsprechen muß. muß der Niederspannungsteil eurem induktionslos aufgebaut werden, d. h.. die Serienresonanz jedes ÄLC-Teilerelementes muß gleich groß sein.and C ₂ = UXX) * C ₁ if C _{1 is} the capacitance resulting from the scribing of all elements C _{1 '.} The large divider ratios necessary because of the magnitude of the voltages to be measured thus almost without exception require non-voltage elements. whose resistance R _{2 is} considerably smaller than the partial resistance R _{1 of} a high-voltage element or whose capacitance C _{2 is} considerably greater than the partial capacity C ₁ 'of a high-voltage element. Since the inevitable series inductance / - '(s. I ·' i g. I) must correspond to dom Γ hciset / ungs \ erhällni->. the low-voltage part of your must be built without induction, ie. the series resonance of each ÄLC divider element must be the same.

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 If the output voltage is not measured directly at N, a measuring cable K designed as a coaxial cable and with as little attenuation as possible must be used to transmit the pulse to the measuring device, for example a. Accept oscilloscope 0 . To avoid pulse distortion in the measuring cable, between the low voltage tap N and the

ίο 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 Meßgeräteingang durch die Reflexion verdoppelt wird. Die reflektierte Welle wird dann aber über 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 u_h(t) hervorgerufenen elektromagnetischen Vorgänge zu erreichen.ίο Measurement cable switched on a resistor whose size corresponds to ZR ₂ , if Z is the characteristic impedance of the cable effective at high frequencies. It is assumed that the measuring device has a high input resistance compared to the characteristic impedance Z of the cable, so that the voltage pulse running to the measuring device at the measuring device input is doubled by the reflection. The reflected wave is then dissipated without reflection via the low-voltage capacitance C ₂ , since it then finds the two resistances (Z - R ₂ ) + R ₂ = Z. It should also be mentioned that the measuring cable can also be designed with a multiple cable sheath in order to achieve better shielding of the electromagnetic processes caused by the high-voltage pulse u _h (t).

Die technische Ausführung der für den Spannungsteiler notwendigen Widerstände und Kondensatoren kann beliebig sein., sollte" aber vornehmlich auf möglichst induktionsarmc 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 R{ aufgebaut ist. wobei der Widerstand Rl vorzugsweise aus mehreren parallelgcschalteten Schichtwiderständen besteht. Die Kondensatorbeläge sind mit ß bezeichnet. Ein zu Versuchs- und Erprobungszwecken ausgeführter Spannungsteiler fürThe technical design of the resistors and capacitors required for the voltage divider can be any, but should "primarily be limited to constructions with as little induction as possible if the best possible bandwidth corresponding to the divider length is to be achieved a voltage divider is shown, which is made up of known ceramic plate capacitors C ₁ 'and sheet resistors R { . The resistor Rl preferably consists of several parallel- connected sheet resistors. The capacitor coatings are denoted by ß

•4° etwa 1 MV-Stoßspannung wurde aus insgesamt vierzig Plattenkondensatoren und der entsprechenden Zahl von Schichtwiderständen aufgebaut.• 4 ° about 1 MV surge voltage became forty in total Plate capacitors and the corresponding number of sheet resistors built up.

Der Hochspannungstcil des Spannungsteilers kann auch aus Ölpapierkondensatoren hergestellt werden.The high voltage part of the voltage divider can can also be made from oil paper capacitors.

•45 wie beispielsweise in F i g. 4 schematisch dargestellt ist. Der Kondensator C₁'jedes Teilcrelementes besteht beispielsweise aus drei in Serie geschalteten aufeinandergeschichtcten Ölpapierwickelkondensatoren K₁. K₂. Ky Zwischen den einzelnen aus je drei Kondensatorcn K₁. K₂, K₃ bestehenden Kondensatoren C₁' sind Isolierstoffplatten J angeordnet, um die herum eine Mehrzahl von untereinander parallclgeschaltetcn Widerständen K₁'. zweckmäßig am Umfang gleichmäßig verteilt, angebracht ist. Vorzugsweise werden Schichtwidcrstände oder induktionsarm gewickelte Drahtwiderstände verwendet. Zur Herstellung der Serienschaltung der Kondensatoren und Widerstände sind die Isolierstoffplatten J beispielsweise auf beiden Seiten mit Metallbelägen Af₁ bzw. M₂ versehen, die• 45 such as in FIG. 4 is shown schematically. The capacitor C ₁ 'of each sub-element consists, for example, of three oil-paper wound _{capacitors K 1} connected in series one on top of the other. K ₂ . Ky between each of three capacitors K ₁ . K ₂ , K ₃ existing capacitors C ₁ 'are arranged insulating plates J , around which a plurality of resistors K ₁ ' connected in parallel with one another. expediently evenly distributed around the circumference, is attached. Preferably, sheet resistors or low-inductance wound wire resistors are used. To produce the series connection of the capacitors and resistors, the insulating plates J are provided, for example, with metal coatings Af ₁ and M ₂ on both sides, which

^(>o einerseits mit den anliegenden Kondensatoren K₃ b/w. K₁. andererseits mit den einen bzw. anderen Klemmen der Widerstände A₁' leitend verbunden sind, w ic in F i g. 4 schematisch angedeutet ist. ^{(> o} on the one hand to the capacitors K ₃ b / w. K _1. on the other hand to one or the other terminals of the resistors A ₁ 'are conductively connected, as is indicated schematically in FIG. 4.

Der Niederspannungsteil des Spannungsteilers wird.The low voltage part of the voltage divider becomes.

^(>< um die Bedingung extrem kleiner Induktivität zu erfüllen, vorzugsweise aus vielen Einzelkondensatoren und Widerständen aufgebaut. I·" i g. 5 zeigt eine erprobte Schaltungsanordnung. Die liin/dkondcn- ^(><to meet the condition of extremely small inductance, preferably made up of many individual capacitors and resistors. I · "i g. 5 shows a tried and tested circuit arrangement.

satoren C₂ liegen beispielsweise zwischen zwei Metallplatten P₁, P₂ vorzugsweise so, daß jeder Einzelkondensator mit einem Widerstand K₂' bedämpft wird. Dies ist deshalb empfehlenswert, weil sich bei sehr hohen Frequenzen innerhalb der Metallplatten Polentialdifferenzen einstellen können, welche ohne Dämpfungswiderstände die paraSlelgeschalteten Kondensatoren zur Parallelresonanz anregen. Sofern die Summe dieser Dämpfungswiderstände noch nicht den für das übersetzungsverhältnis notwendigen Widerstand A₂ bildet, werden, wie in F i g. 5 dargestellt ist, weitere Widerstände zwischen den Niederspannungsanschlußpunkt N und die Metallplatte P₁ dazu geschaltet. Sators C ₂ are, for example, between two metal plates P ₁ , P _2, preferably so that each individual capacitor is attenuated _{with a resistor K 2 '.} This is recommended because at very high frequencies within the metal plates, pole differences can arise which, without damping resistors, excite the parallel-connected capacitors to parallel resonance. If the sum of these damping resistances does not yet form the resistance A ₂ required for the transmission ratio, as in FIG. 5 is shown, further resistors are connected between the low-voltage connection point N and the metal plate P ₁ .

Werden diese Widerstände nicht benötigt, wird der Punkt N direkt mit der Platte P₁ verbunden. Der Anschluß des Meßkabeis erfolgt zweckmäßig zentrisch zum Niederspannurigsteil, wobei es sich empfiehlt, den zur Vermeidung von Reflexionserscheinungen notwendigen Widerstand Z — R₂ konstruktiv mit dem Niederspannungsteil zu vereinigen, wie in F i g. 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 connected directly to the plate P ₁ . The connection of the measuring cable is expediently carried out centrally to the low-voltage part, whereby it is advisable to constructively combine the resistance Z - R ₂ necessary to avoid reflection phenomena with the low-voltage part, as shown in FIG. 5 is indicated, in which MK denotes the socket for connecting the measuring cable.

Da die bei einem senkrecht auf dem Erdboden aufgestellten Spannungsteiler wirksamen Erdkapazitäten C'_t nicht gleich groß sind, sondern entsprechend den von oben nach unten kleiner werdenden Abstän-* den von der Erde nach unten hin größer werden, ist der Wellenwiderstand des Teilers Since the earth capacitances C ' _t effective with a voltage divider set up vertically on the ground are not of the same size, but increase in accordance with the distances from the earth that decrease from top to bottom, the wave resistance of the divider is greater

I —I -

1 c:1 c:

nicht über die Teilerlänge hin konstant, sondern am Teilerkopf A etwas größer als am Teilerfuß E. Deshalb kann es zur Erzielung optimaler Ergebnisse zweckmäßig sein, die einzelnen Teilerelemente nicht aus gleich großen Elementen R₁' und C₁ aufzubauen, sondern sie den veränderten Weiienwiderständcn anzupassen. Dies erfordert nach der für die Größe des Widerstandes gültigen Gleichung einen am Tcilcrkopf größeren Widerstand K₁' als bei den dem Niederspannungsteil nächstliegendcn Elementen. Entsprechend wird zweckmäßig auch die zugehörige Kapazität C₁ etwas verkleinert, um die Zeitkonstanten R'_tC{ jedes Elementes gleich groß zu machen.not constant over the length of the divider, 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 up the individual divider elements from elements R 1} 'and C ₁ of the same size, but to adapt them to the changed white resistances . According to the equation valid for the magnitude of the resistance, this requires a greater resistance K ₁ 'at the contact head than in the elements closest to the low-voltage part. Correspondingly, the associated capacitance C ₁ is also appropriately reduced somewhat in order to make the time constants R ' _t C {of each element the same.

Der insgesamt notwendige Gesamtwiderstand K % K| 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 K% K | the divider is for physical reasons not large and can therefore be matched to the wave resistance of the supply line to the voltage divider - or vice versa will. This can cause reflections of any necessary supply lines effectively reduced in size and avoided.

Claims (6)

Patentansprüche: -Patent claims: - 1. Anordnung zur Messung von hohen und höchsten Spannungsimpulsen, Stoßspannungen und sonstigen hohen Wechselspannungen mit Hilfe eines aus einer Mehrzahl von Kondcnsatoren und ohmschen Widerständen aufgebauten Spannungsteilers, der einen nahe am niederspannungsseitigen Ende liegenden Abgriff für die dem Meßgerät zuzuführende niedrige Meßspannung aufweist,- dadurch gekennzeichnet, daß dieser Spannungsteiler aus einer Mehrzahl von in Serie geschalteten, je aus einem Kondensator und einem mit ihm in Reihe geschalteten ohmschen Widerstand gebildeten, derart bemessenen Teilerelementen besteht, daß das Verhältnis des Gesamtwiderstandes des Hochspannungsteiles und des Gesamtwiderstandes des Niederspannungsteiles dem Teilerverhältnis und das Verhältnis der Gesamtkapazität des Hochspannungsteiles und der Gesamtkapazität des Niederspannungsteiles dem reziproken Wert des Teilerverhältnisses entspricht, daß der Niederspannungsteil des Spannungsteilers induktionsarm ausgebildet ist und daß die ohmschen Widerstände der einzelnen Teilerelemente so bemessen sind, daß der von ihnen gebildete gesamte Dämpfungswiderstand (K = η ■ R') wenigstens annähernd die Bedingung1. Arrangement for measuring high and highest voltage pulses, surge voltages and other high alternating voltages with the help of a voltage divider composed of a plurality of capacitors and ohmic resistors, which has a tap located close to the low-voltage end for the low measuring voltage to be fed to the measuring device, - characterized That this voltage divider consists of a plurality of divider elements connected in series, each formed by a capacitor and an ohmic resistor connected in series with it, dimensioned such that the ratio of the total resistance of the high-voltage part and the total resistance of the low-voltage part to the divider ratio and the ratio of the Total capacity of the high-voltage part and the total capacity of the low-voltage part corresponds to the reciprocal value of the divider ratio that the low-voltage part of the voltage divider is low-induction and that the ohm rule resistances of the individual divider elements are dimensioned so that the total damping resistance formed by them (K = η · R ') at least approximately the condition erfüllt, wobei L die gesamte Teilerinduktivität (L = /j · L) und C, die gesamte Erdkapazität (C,. = n~C'_e)des Spannungsteilers bedeutet (Fig. 1).fulfilled, where L the total divider inductance (L = / j · L) and C, the total earth capacitance (C, = n ~ C ' _e ) means of the voltage divider (Fig. 1). 2. Anordnung-nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände und Kondensatoren des Spannungsteilers induktionsarm aufgebaut und induktionsarm zusammengeschaltet sind.2. Arrangement-according to claim 1, characterized in that that the resistors and capacitors of the voltage divider have a low induction and are interconnected with low induction. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, 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 (C₂) gebildet ist und der ohmsche Widerstand dieses Teilerclementes aus mehreren einander parallelgeschalteten Einzelwiderständen oder/und aus den Einzelkondensatoren (C₂) in Serie vorgeschalteten Einzclwiderständen (K₂) besteht (F i g. 5).3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the capacitance'des between the measuring voltage tap and the grounded, low-voltage end of the divider lying divider element in order to achieve a small total inductance of several parallel-connected individual capacitors (C ₂ ) is formed and the ohmic resistance of this Divider element consists of several individual resistors connected in parallel and / or from the individual _{capacitors (C 2} ) in series upstream individual resistors (K ₂ ) (FIG. 5). 4. Anordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsteil des Spannungsteilers aus unter sich gleich großen Einzclkondensatoren und unter sich gleich großen Einzelwiderständen besteht.4. Arrangement according to claim 1, characterized in that that the high voltage part of the voltage divider consists of single capacitors of equal size and consists of individual resistances of equal size. 5. Anordnung nach Anspruch 1, 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.5. Arrangement according to claim 1, characterized in that 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 of the divider elements decreases from the high voltage part to the low voltage part. 6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der einzelnen Teilerelemente von den aus Widerstandsmaterial hergestellten Belägen der betreffenden Kondensatoren gebildet wird.6. Arrangement according to claim 1, characterized in that that the resistance of the individual divider elements differs from those made of resistance material Deposits of the capacitors in question is formed. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 009 518/50 1 sheet of drawings 009 518/50