DE1516128C3 - Anordnung zur Messung von hohen und höchsten Spannungsimpulsen, Stoßspannungen und hohen Wechselspannungen - Google Patents

Description

erfüllt, wobei L die gesamte Teilerinduktivität (L = π L') und Ce die gesamte Erdkapazität (C_e— η ■ Ce) des Spannungsteilers bedeutet (F i g. 1).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände und Kondensatoren des Spannungsteilers induktionsarm aufgebaut und induktionsarm zusammengeschaltet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des zwischen dem Meßspannungsabgriff und dem geerdeten, niederspannungsseitigen Ende des Teilers liegenden Teilerelements zwecks Erzielung einer kleinen Gesamtinduktivität von mehreren parallelgeschalteten Einzelkondensatoren (C₂') gebildet ist und der ohmsche Widerstand dieses Teilerelementes aus mehreren einander parallelgeschalteten Einzelwiderständen oder/und aus den Einzelkondensatoren (C₂') in Serie vorgeschalteten Einzelwiderständen (R₂') besteht (F i g. 5).

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Hochspannungsanschluß am nächsten liegenden Widerstände und Kondensatoren mit, bezogen auf die Längsausdehnung eines Teiierelementes, höheren Widerstandswerten und kleineren Kapazitätswerten ausgeführt sind, so daß die spezifische Impedanz der Teilerelemente vom Hochspannungsteil zum Niederspannungsteil abnimmt.

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 niederspannungsseitigen 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.

Bei allen bisher bekanntgewordenen ohmschen Spannungsteilern — bestehend vornehmlich aus kontinuierlich und in induktivitätsarm gewickelten Drahtwiderständen von einer der zu messenden Spannung entsprechende 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 Widerstands 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 Erdverkettungskapazitäten 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 Kn),■ densatoren 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 ^ 1 μ5) 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 < 1 μ5 Länge werden gelegentlich extrem niederohmige ohmsche Spannungsteiler verwendet, bei denen durch den kleinen Teilerwiderstand von 500... 1000Ω 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.

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 > IMHz) 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."

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. Es zeigt sich ganz allgemein, daß ein Zeitimpuls 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 Übergangsfunktion eines Spannungsteilers auf eine Schrittfunktion müßte, abgesehen von der durch das Teilerverhältnis verringerten Amplitude, wiederum eine Schrittfunktion sein.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von hohen und höchsten Spannungsimpulsen, Stoßspannungen und hohen Wechselspannungen mit Hilfe eines mit ohmschen Widerständen bedämpften kapazitiven Hochspannungsteilers, dessen Hochspannungsteil aus der Reihenschaltung eines induktivitätsbehafteten Kondensators und eines Dämpfungswiderstandes und dessen Niederspannungsteil ebenfalls aus der Reihenschaltung eines induktivitätsbehafteten Kondensators und eines Dämpfungswiderstandes besteht, wobei das Verhältnis der Induktivität sowie des Dämpfungswiderstandes des Hochspannungsteils und der Induktivität sowie des Dämpfungswiderstandes des Niederspannungsteils dem Teilerverhältnis und das Verhältnis der Kapazität des Hochspannungsteils und der Kapazität > des Niederspannungsteils dem reziproken Wert des Teilerverhältnisses entspricht und der Niederspannungsteil des Hochspannungsteilers induktionsarm ausgebildet ist, sowie mit einem nahe am niederspannungsseitigen Ende liegenden Abgriff für die dem

ίο Meßgerät zuzuführende niedrige Meßspannung.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Hochspannungsteil aus einer Mehrzahl gleichmäßig verteilter, in Serie geschalteter, je aus einem Kondensator und einem mit diesem in Reihe

l") geschalteten ohmschen Widerstand gebildeten Teilerelemente besteht und daß die ohmschen Widerstände der einzelnen Teilerelemente so bemessen sind, daß der von ihnen gebildete gesamte Dämpfungswiderstand (R = n- R') wenigstens annähernd die Bedingung

/I

C.

erfüllt, wobei L die gesamte Teilerinduktivität (L=nL') und Ce die_ gesamte Erdkapazität (C_e=nCJ) des Spannungsteilers bedeutet (F ig: 1).

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.

Für Zwecke der Messung hoher Wechsel- und Stoßspannungen in elektrischen Anlagen, Prüffeldern und Laboratorien ist ferner ein kapazitiver Spannungsteiler mit mehreren elektrisch in Reihe geschalteten Wickelkondensatoren bekannt. Um schädliche Störschwingungen zu verhindern, sind zusätzliche Dämpfungswiderstände in Reihe zu den Kondensatoren geschaltet, wobei die Metallbeläge der Wickelkondensatoren selbst das Dämpfungsglied bilden. Auch dieser Spannungsteiler gewährleistet keine wirklichkeitsgetreue Abbildung von kurzzeitigen hochfrequenten Spannungsimpulsen, da über Bemessungsangaben der Dämpfungswiderstände bzw. deren Optimierung, wie dies für die Erfindung wesentlich ist, nichts ausgesagt ist (CH-PS 3 65 450).

Schließlich ist ein kapazitiver Spannungsteiler bekanntgeworden, dessen Hochspannungsteil aus einem induktivitätsbehafteten Kondensator besteht, während dessen Niederspannungsteil von der Reihenschaltung eines induktivitätsbehafteten Kondensators und eines Widerstandes gebildet ist. Das Verhältnis der Induktivität des Hochspannungsteils und der Induktivität des Niederspannungsteils entspricht dem Teilerverhältnis, während das Verhältnis der Kapazität des Hochspannungsteils und der Kapazität des Niederspannungsteils sich wie der reziproke Wert des Teilerverhältnisses verhält. Der Niederspannungsteil des Spannungsteilers

ist durch Parallelschalten einer größeren Anzahl von Kondensatoren und Verwendung möglichst kurzer Zuleitungen induktionsarm ausgebildet. Um eine bessere Schwingungsdämpfung zu erzielen, ist dieser bekannte kapazitive Spannungsteiler über einen Dämpfungswiderstand an den Rechteckgenerator angeschlossen (W. Widmann »Messung von Überspannungen« in ELEKTRIZITÄTSWIRTSCHAFT, 59. Jg. [1960], Seite 738-743).

Dieser Spannungsteiler stellt einen induktivitätsbe- κι hafteten kapazitiven Spannungsteiler dar, bei dem der in der Zuleitung zum Teiler angeordnete Dämpfungswiderstand lediglich zur Vermeidung einer Serienresonanz vorgesehen ist. Mit nur einem, vor dem eigentlichen Spannungsteiler im Zuge von dessen r> Zuleitung angeordneten konzentrierten Widerstandselement läßt sich eine exakte und saubere Spannungsteilung nicht ermöglichen, die voraussetzt, daß sich die Spannung möglichst kontinuierlich von der Einspeisestelle aus stetig verkleinert, um schließlich am Teilerende auf den Wert Null abzusinken. Diese Dämpfungswirkung, die einen kontinuierlichen Energieabbau der in den Spannungsteiler einziehenden Wanderwelle voraussetzt, kann nur mit mehreren, im Hochspannungsteil diskret verteilten Widerständen 2> erzielt werden. Darüber hinaus ist Voraussetzung für die Erzielung der gewünschten Dämpfungswirkung, daß diese Widerstände in bezug auf die gesamte Teilerinduktivität und die gesamte Erdkapazität des Spannungsteilers der vorstehend angeführten Optimierung genü- w gen. Bezüglich der Widerstandsoptimierung lassen sich weder dem Aufsatz von Widmann noch der CH-PS 3 65 450 Anregungen in Richtung auf die Erfindung entnehmen.

In Fig. 1 ist das Ersatzschaltbild eines Spannungstei- r> Iers, 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 tf'bzw. C'bezeichnet sind. Das Ersatzschaltbild berücksichtigt alle an einem räumlich ausgedehnten, weitgehend homogen aufgebauten Spannungsteiler wirksamen Einflüsse. Die eingezeichneten Induktivitä- -f> ten L' können den Widerständen R', den Kondensatoren C und den zur Zusammenschaltung notwendigen Verbindungsleitungen anhaften. Mit C_e' sind die Erdkapazitäten dargestellt und damit das Eigenfeld des Spannungsteilers berücksichtigt. Wenn η die Gesamt- 5» zahl der in Serie geschalteten Teilerelemente ist, ergibt sich der gesamte Teilerwiderstand zu R=n-R', die gesamte Teilerinduktivität zu L=n-L', die gesamte

C"
Teilerkapazität zu C= — und die gesamte Erdkapazität

zu Ce= π · C_e'. Der Hochspannungsimpuls uu(t)so\\ durch den Teiler in einen nur amplitudenmäßig verkleinerten Ausgangsimpuls U_n(I) umgewandelt werden. Die physikalische Wirkungsweise dieses Teilers bei der Übertragung hoher Frequenzen ist sofort erkennbar, wenn die f>o 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 Spannungsals auch Stromwelle in den Teiler ein, um am Teilerende fmehr oder weniger reflexionsfrei zur Erde abgeführt zu werden.

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 Fnoch ein endlicher und zu großer Spannungswert, der reflektiert wird und in den Teiler zurücklaufend am Niederspannungsabgriff u„ unerwünschte Schwingungen erzeugt. Eine sinnvolle Bedämpfung des Teilers wird erreicht, wenn der gesamte Dämpfungswiderstand (Teilerwiderstand) der Bedingung

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gehorcht. Weiterhin läßt sich nachweisen, daß die an U_n erscheinende Übergangsfunktion um so rascher ansteigt (und damit die übertragbare Grenzfrequenz um-so höher wirdjje kleiner die Laufzeit ]/LC_e 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.

Mit dieser Teilerart kann somit die physikalische Grenze jeder Spannungsteilung mit einem räumlich ausgedehnten Gebilde dann erreicht werden, wenn die Laufzeit.i/LCe 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 μΗ pro Meter Teilerlänge erreicht wird.

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 aus

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'vcn Vergleich zu einem rein ohmschen Teiler mit dem Gesamtwiderstand R reduziert, da nur bei Spannungsänderungen der Teiler von Strömen durchflossen wird.

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 kb der doppelten Teilerlänge entspricht (Ä/,-/j, = c,· c = Lichtgeschwindigkeit), kann die physikalische Übertragungsgrenze auch durch die Antennenwirkung des Teilers erklärt werden: Die ι ο hohen Frequenzen werden als elektromagnetische Wellen vom Teiler abgestrahlt. Es genügt daher auch, wenn ein einzelnes R'C'-GUed des Teilers eine

Längenabmessung besitzt, die etwa -X_b ist. Daraus

resultieren mindestens fünf 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.

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 Uh(t)wird in _>> bekannter Weiseüber eine möglichst kurze Zuleitung L und die erdseitige Verbindung zwischen 2 und E dem eigentlichen Spannungsteiler zugeführt. Bie erdseitige Verbindung wird dabei möglichst aus großen Metallplatten oder Metallgittern hergestellt, um Potential- differenzen innerhalb dieser Verbindung zu vermeiden. Die Zuleitung L wird vor allem bei größerer Länge zweckmäßig mit einem Dämpfungswiderstand Ri. bedämpft, der vorzugsweise so groß gewählt wird, daß er dem Wellenwiderstand der Zuleitung entspricht. Er y-, 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 R\' und Kondensatoren C\ 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 V1000 der zu messenden Spannung betragen, so muß 4'>

Ri= j"_MM\undC2=1000-Ci gemacht werden.wennCidie

sich aus der Serienschaltung aller Elemente Ci'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 R\ eines Hochspannungselementes bzw. deren Kapazität C₂ erheblich größer ist als die Teilkapazität Ci eines Hochspannungselementes. Da auch die unvermeidliche Längsinduktivität //(s. Fig. 1) dem Übersetzungsverhältnis entsprechen muß, muß der Niederspannungsteil extrem induktionslos aufgebaut werden, d. h., die Serienresonanz jedes Äi-C-Teilcrclementes muß gleich groß sein.

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 O₁ übernehmen. Um Impulsverzcrrungni im Meßkabcl zu vermeiden, wird zwischen dem Niederspannungsabgriff N und dem Meßkabcl ein Widerstand eingeschaltet, der seiner Größe nach Z— R2 entspricht, wenn Zder 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 Uh(() hervorgerufenen elektromagnetischen Vorgänge zu erreichen.

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 sol. In F i g. 3 ist als Beispiel ein Ausschnitt aus dem Hochspannungsteil eines Spannungsteilers dargestellt, der aus bekannten keramischen Plattenkondensatoren C\ und Schichtwiderständen R\ aufgebaut ist, wobei der Widerstand R\ 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 Schichtwiderständen aufgebaut.

Der Hochspannungsteil des Spannungsteilers kann auch aus Ölpapierkondensatoren hergestellt werden, wie beispielsweise in Fig.4 schematisch dargestellt ist. Der Kondensator C\ jedes Teilerelementes besteht beispielsweise aus drei in Serie geschalteten aufeinandergeschichteten Ölpapierwickelkondensatoren K\, K₂, K3. Zwischen den einzelnen aus je drei Kondensatoren K\, K₂, K3 bestehenden Kondensatoren C\ sind Isolierstoffplatten J angeordnet, um die herum eine Mehrzahl von untereinander parallelgeschalteten Widerständen R\', zweckmäßig 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 M\ bzw. M₂ versehen, die einerseits mit den anliegenden Kondensatoren Ki bzw. K\, andererseits mit den einen bzw. anderen Klemmen der Widerstände R\ leitend verbunden sind, wie in F i g. 4 schematisch angedeutet ist.

Der Niederspannungsteil des Spannungsteilers wird, um die Bedingung extrem kleiner Induktivität zu erfüllen, vorzugsweise aus vielen Einzelkondensatoren und Widerständen aufgebaut. F i g. 5 zeigt eine erprobte Schaltungsanordnung. Die Einzelkondensatoren C₂' liegen beispielsweise zwischen zwei Metallplatten l\, P₂ vorzugsweise so, daß jeder F.inzelkondensator mit einem Widerstand R₂ bedämpft wird. Dies ist deshalb empfehlenswert, weil sich bei sehr hohen Frequenzen innerhalb der Metallplatten Potentialdifferenzen einstellen können, welche ohne Dämpfungswiderstände die parallelgeschalteten Kondensatoren zur Parallelrcsonanz anregen. Sofern die Summe dieser Dämpfungswiderstände noch nicht den für das Übersetzungsverhältnis notwendigen Widerstand R₂ bildet, werden, wie

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in Fig.5 dargestellt ist, weitere Widerstände zwischen den Niederspannungsanschlußpunkt N und die Metallplatte P\ dazugeschaltet.

Werden diese Widerstände nicht benötigt, wird der Punkt N direkt mit der Platte P\ verbunden. Der Anschluß des Meßkabels erfolgt zweckmäßig zentrisch zum Niederspannungsteil, wobei es sich empfiehlt, den zur Vermeidung von Reflexionserscheinungen notwendigen Widerstand Z-Ri 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.

Da die bei einem senkrecht auf dem Erdboden aufgestellten Spannungsteiler wirksamen Erdkapazitäten CJ nicht gleich 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

Ic

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 R\ und C\ aufzubauen, sondern sie den veränderten Wellenwiderständen anzupassen. Dies erfordert nach der für die Größe des Widerstandes gültigen Gleichung einen am Teilerkopf größeren Widerstand R\ als bei den dem Niederspannungsteil nächstliegenden Elementen. Entsprechend wird zweckmäßig auch die zugehörige Kapazität Q' etwas verkleinert, um die Zeitkonstanten R\'C\ jedes Elementes gleich groß zu machen.

Der insgesamt notwendige Gesamtwiderstand 7?« R\ 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Messung von hohen und höchsten Spannungsimpulsen, Stoßspannungen und hohen Wechselspannungen mit Hilfe eines mit ohmschen Widerständen bedämpften kapazitiven Hochspannungsteilers, dessen Hochspannungsteil aus der Reihenschaltung eines induktivitätsbehafteten Kondensators und eines Dämpfungswiderstandes und dessen Niederspannungsteil ebenfalls aus der Reihenschaltung eines induktivitätsbehafteten Kondensators und eines Dämpfungswiderstandes besteht, wobei das Verhältnis der Induktivität sowie des Dämpfungswiderstandes des Hochspannungsteils und der Induktivität sowie des Dämpfungswiderstandes des Niederspannungsteils dem Teilerverhältnis und das Verhältnis der Kapazität des Hochspannungsteils und der Kapazität des Niederspannungsteils dem reziproken Wert des Teilerverhältnisses entspricht und der Niederspannungsteil des Hochspannungsteilers induktionsarm ausgebildet ist, sowie mit einem nahe am niederspannungsseitigen Ende liegenden Abgriff für die dem Meßgerät zuzuführende niedrige Meßspannung, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsteil aus einer Mehrzahl gleichmäßig verteilter, in Serie geschaltete^ je aus einem Kondensator und einem mit diesem in Reihe geschalteten ohmschen Widerstand gebildeten Teilerelement besteht und daß die ohmschen Widerstände der einzelnen Teilerelemente so bemessen sind, daß der von ihnen gebildete gesamte Dämpfungswiderstand (R= η-R') wenigstens annähernd die Bedingung