DE2154531A1 - Spannungsteiler für die Messung von Stoßspannungen und hohen Wechselspannungen - Google Patents

Description

DR. HEINZ FEDER DR. WOLF-D. FEDER

PATENTANWÄLTE Düsseldorf

Akte 71-10-175

-2. NOV. 1971

Firma Emil Haefely & Cie AG, CH 4000 Basel 28, Lehenmattstr· 353

Spannungsteiler für die Messung von Stoßspannungen und hohen Wechselspannungen·

Die Messung hoher Blitzstoßspannungen, hoher Schaltstoßspannungen und hoher Wechselspannungen wird bekanntlich mit Hilfe von Spannungsteilern durchgeführt. Prinzipiell kann man für jede Spannungsbeanspruchung einen optimalen Spannungsteiler entwickeln. In der Praxis wird aber in den Hochspannungslaboratorien ein Spannungsteiler benötigt, der einfach in der Betriebsführung, d.h. im Aufbau ist und außerdem universell anwendbar ist. Die in industriellen Hochspannungsläboratorien bei der Abnahmeprüfung elektrischer Apparate verwendeten Spannungsformen sind im wesentlichen die Blitzstoßspannung 1,2/50, die in der Stirn oder im Rücken abgeschnittene Blitzstoßspannung 1,2/50, die Schaltstoßspannungen und die Wechselspannung. Um eine - gegenseitige Beeinflussung zu vermeiden, werden Spannungsteiler und Prüfobjekt üblicherweise über eine metallische Zuleitung von einigen Metern verbunden. Diese Zuleitung beeinflußt das Übertragungsverhalten des gesamten Meßkreises, so daß die Zuleitung im Übertragungsverhalten der Spannungsteiler berücksichtigt werden sollte.

Man unterscheidet kapazitive und ohmsche Spannungsteiler. Da ohmsche Spannungsteiler bei kleinen Gesamtwiderständen auf den Spannungsverlauf starke Rückwirkungen ausüben, bei großem Gesamtwiderstand aber die Übertragungseigenschaften sehr

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schlecht werden, scheiden diese Spannungsteiler für die gestellten Anforderungen (Messung der Blitzstoßspannung, Schaltstoßspannung und Wechselspannung, sowie abgeschnittener Blitzstoßspannungen) aus. Sie sind jeweils nur für eine oder zwei der angedeuteten Aufgaben auslegbar·

Im folgenden werden nur noch kapazitive Spannungsteiler betrachtet· Pur die Beurteilung von kapazitiven Spannungsteilern sollten die folgenden Gesichtspunkte berücksichtigt werden:

1. Der an der Prüflingsanordnung auftretende Hochspannungsverlauf sollte möglichst formgetreu zum sekundärseitigen Ausgang des Spannungsteilers übertragen werden· Das am Niederspannungsteil angebrachte koaxiale Kabel und das für die Anzeige verwendete Meßgerät (z.B. Oszillograph) können so ausgewählt werden, daß hierdurch keine weitere Verfälschung der Impulsform eintreten wird.

2. Die Beeinflussung der Spannungsform am Prüfling durch den Spannungsteiler sollte entweder vernachlässigbar sein, wenn der Spannungsteiler nur als Meßgerät verwendet wird, oder in möglichst optimaler Form erfolgen, z.B. indem der kapazitive Spannungsteiler als Belastungskondensator in einem Stoßkreis verwendet wird. Neben der Kostenersparnis ist dabei auch die

A bessere Raumausnützung zu beachten.

3. Entsprechend der jeweiligen Spannungshöhe, die mit einem Stoßgenerator durch Serien- oder Parallelschaltung oder durch Teilstufenbetrieb in einem weitai Bereich variiert werden kann, sollte auch der kapazitive Spannungsteiler angepaßt werden können. Auch im Teilstufenbetrieb sollten optimale Übertragungsbedingungen, vorliegen. Vorteilhaft wäre es, wenn hierfür nur ein Niederspannungsteil benötigt wird.

4. Es sollte eine möglichst einfache Bestimmung des Übersetzungsverhältnisses geben. Eine Messung und Auswertung der Antwortzeit aus dem Rechteckstoßübertragungsverhalten

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sollte mit einiger Sicherheit möglich sein, um in der Stirn abgeschnittene Stoßspannungen mit der Antwortzeit korrigieren ; zu können. Dies bedeutet, daß eine stark oszillierende oder nur j schwach gedämpfte Rechteckstoßantwort unerwünscht ist· ;

Es sind bisher drei verschiedene Typen von Spannungsteilern j bekannt geworden, die das kapazitive Übersetzungsverhältnis ausnützen und die diesen vorstehenden Bedingungen jeweils nur teilweise entsprechen:

1. Rein kapazitive Spannungsteiler, wobei die Oberspannungskapazität durch die Kapazität deiner Funkenstrecke oder durch eine Serienschaltung von Einzelkondensatoren aus Ölpapierwickeln gebildet wird. Diese Spannungsteiler können für die Messung von Wechselspannungen oder Schaltstoßspannungen eingesetzt werden· Bei der Messung von Blitzstoßspannungen zeigen sich erhebliche Schwingungen im stirnverlauf, wie aus Fig· I hervorgeht, welche den prinzipiellen Spannungsverlauf einer Blitzstoßspannung, aufgenommen mit einem ungedämpften kapazitiven Teiler als Meßgerät, zeigt· Eine Auswertung der Antwortzeit ist infolge der starken Eigenschwingungen praktisch nicht möglich· Dies führt auch dazu, daß bei abgeschnittenen SpannungsstoBen praktisch ungedämpfte Schwingungen auftreten, die für die Auswertung, z.B. der Stromoszillogramme im Transformator nach dem Abschneiden der Stoßspannung, unerwünscht sind.

2. Da die Grundschwingung dieser Ausgleichsvorgänge durch die Serienschaltung der Kapazität des Kondensators und der Induktivität des gesamten Kreises hervorgerufen wird, wurden kapazitive Spannungsteiler- gebaut, die am Kopf jeweils einen konzentrierten Widerstand haben· Mit diesen Widerstand kann nur die stationäre Grundschwingung gedämpft werden· Sowohl Wanderwellenvorgänge auf der Zuleitung, wie auch Ausgleichsvorgänge im Spannungsteiler können mit diesem konzentrierten Widerstand am Kopf des Spannungsteilere aber weiterhin auf- ** treten. Die Wanderwellenvorgänge auf der Zuleitung finden an

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beiden Enden der Zuleitung keine optimalen Abschlußimpedanzen, so daß Reflexionen an beiden Enden der Zuleitung entstehen. Die in den Spannungsteiler einziehende Wanderwelle wird außerdem im Spannungsteiler selbst zu Schwingungen führen, da keine innere Dämpfung wirksam wird und findet - ebenfalls keine optimalen Abschlußimpedanzen. Infolge seiner räumlichen Ausdehnung kann für diese Vorgänge der Spannungsteiler als ein Laufzeitgebilde betrachtet werden.

Eine optimale Anpassung an den Teilstufenbetrieb ist außerdem nicht möglich.

3. Mit dem bekannten gedämpft kapazitiven Spannungsteiler, der aus einer Serienschaltung von vielen Einzelwiderständen und Einzelkondensatoren besteht, steht ein Spannungsteiler zur Verfügung, der bis zu den steilsten Spannungsimpulsen ein gutes Übertragungsverhalten garantiert. Für ein optimales Verhalten soll der Widerstand der Bedingung

rR s*a 4 Il 75— genügen. Diese Diraensionierung führt aber dazu,

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daß dieser Spannungsteiler bei kleinen Belastungskapazitäten die Spannungsform am Prüfobjekt wesentlich beeinflußt, da die innere Zeitkonstante des Teilers T = ^R4-*^Ct ^{in der G}?^{rößenordnun}9 der SbLrnzeit der Blitzstoßspannung zu liegen kommt.

Die Rückwirkung des gedämpft kapazitiven Spannungsteilers kann anhand von Pig. 2 am besten erläutert werden, worin C die Stoßkapazität, G, de Belastungskapazität, C die Teilerkapazität, R, den Seriewiderstand, R den TeiDwiderstand, KP die Kugelfunkenstrecke und PA die Prüfanordnung bezeichnet. Als Voraussetzung für die folgenden Übeüegungen wird angenommen, daß der gedämpft kapazitive Spannungsteiler optimal ausgelegt sei, d.h. daß die Bedingung

erfüllt ist. In der Praxis führt diese Dimension!erungs· Vorschrift dazu, daß in einem 2 MV-Teiler ein Widerstand

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von ca. 700.... 1200 SZ eingebaut wird (L.ä 5. ...10^-H, C . <t£ 80.....150 pF). Das Ersatzschaltbild für die Ermittlung des Spannungsanstieges zeigt Fig. 2a. In Fig. 2b ist der Spannungsverlauf -bei vernachlässigbarer Belastungskapazität skizziert. Man erkennt, daß im ersten Augenblick die Widerstandsteilung an R, und R wirksam ist, so daß am Prüfling bei Vernachlässigung jeglicher Induktivität die Spannung sprungartig ansteigt, um anschließend mit der Zeitkonstanten (R,+R).C den Endwert

zu erreichen. Schon bei kleinen Belastungskapazitäten (Fig. 2c) erfolgt statt der sprunghaften Spannungstellung an den Widerständen eine Aufladung der Belastungskapazität C mit der Zeitkonstanten R * C, und eine Umladung mit der Zeitkonstanten | R"C. Im Spannungsanstieg erscheint eine Knickstelle, die durch die Zeitkonstanten und durch die Größe der Kapazitäten bestimmt wird. Diese aufgezeigte Abhängigkeit ist bei kleiner Belastungskapazität für die Bestimmung der Stirnzeit der Blitzstoßspannung kritisch, da sich die Impulsform durch die Veränderung

-lingsder Pruapazität sehr stark verändert. Der Spannungs— teiler kann auf keinen Fall als Belastungskapazität verwendet werden, da es unter den genannten Bedingungen nicht möglich ist, die genormte Blitzstoßspannung 1,2/50 zu erzeugen.

Ein weiterer Nachteil dieses Teilertyps ergibt sich durch die Tatsache, daß einteilweises Kurzschließen der Teilstufen nur möglich ist, wenn ein neu abgeglichenes Niederspannungsteil ™ zur Verfügung steht. Außerdem muß jeder Hochspannungswiderstand der als Dämpfungswiderstand zwischen dem Teiler und dem Prüfobjekt eingeschaltet wird, unbedingt in das Übersetzungsverhältnis eingeeicht werden.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein kapazitiver Spannungsteiler, der die Nachteile der bekannten kapazitiven Spannungsteilertypen für die Messung der Blitzstoßspannungen, Schaltstoßspannungen, Wechselspannungen und abgeschnittenen Blitzstoßspannungen vermeidet. Der erfindungsgemäße Spannungsteiler mit einer Anzahl von in Reihe geschalteten Widerständen

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, und Kondensatoren mit einem am niederspannungsseitigen Ende vorgesehenen Abgriff, der die niedrige Meßspannung einem Meßgerät zuführt, ist dadurch gekennzeichnet, daß im Hochspannungsteil des kapazitiven Spannungsteilers verteilt η Widerstände R¹ eingebaut sind, die der Bedingung

R « η R¹ es 0,25 1,5 "T/g

genügen, wobei L die gesamte Meßkreisinduktivität und C die gesamte Teilerkapazität bedeuten und der Niederspannungsteil nur aus einer reinen Kapazität besteht. Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend anhand der Fig.3 erläutert.

Darin ist der zwischen den Punkten A und B liegende Hochapa= nryngsteil durch die Teilwiderstände R¹ und durch die Teilkapazitäten C dargestellt, während der Niederspannungsteil zwischen B und Erde nur die Kapazität C_ enthält. Durch die erfindungsgemäße Dimensionierungsvorschrift

R~ 0,25 .....1,5 "Wr , wird die stationäre Grundschwingung hochspannungsseitig gedämpft. In der Praxis führt diese Dimensionierungsvor schrift aber noch dazu, daß außerdem die Zuleitung Z mit einem Wellenwiderstand von j ,^300-Sc ungefähr mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden kann. Der Wellenwiderständig :·/ t eines kapazitiven Teilers beträgt bei induk-

^et 0

tionsarmem Aufbau des Hochspannungsteiles etwa 200JU (L. = gesamte Teilerinduktivität, C _t = gesamte Teilererdkapazität). Durch den verteilten Einbau der Widerstände in den Hochspannungsteil wird der wirksame Wellenwiderstand erhöht/und die Zuleitung kann optimal mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden. Mit der vorstehenden Dimensionierungsrichtlinie ergeben sich optimale Widerstandswerte von ca. 50.·.··.200jl ,wodurch die innere Zeitkonstante des kapazitiven Teilers klein genug ist,damit dieser Teiler auch als Belastungskapazität

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für die Blitzstoßspannung voll wirksam wirdo Durch den verteilten Einbau des Widerstandes ergibt sich außerdem der Vor~ teil, daß die inneren Schwingungen des kapazitiven Spannungsteilers gedämpft werden.

Die Grundidee der Erfindung liegt darin, daß für die Aufzeichnung der angeführten Spannungsbeanspruchungen das Übersetzungsverhältnis des kapazitiven Teiles verwendet wird. Dies ist möglich, falls die Eigenzeitkonstante des Spannungsteilers etwa 5...10 mal kleiner als der zu messende Spannungsanstieg ist. Außerdem ist zu beachten, daß durch den verteilten Einbau der Widerstände die Wanderwellenvorgänge auf der Leitung*, (durch den Abschluß) und im Spannungsteiler (durch den Widerstand) sehr gut gedämpft werden.

Beurteilt man den beschriebenen Spannungsteiler nach den eingangs erwähnten Gesichtspunkten, so ergibt sich folgendes:

Zu 1: Eine Eingangsspannung der angeführten Form kann infolge ausreichender Dämpfung der stationären Schwingung und durch die günstigen Abschlußbedingungen formgetreu übertragen werden.

Zu 2: Durch die Wahl eines niedrigen Widerstandes ist die Eigenzeitkonstante des Spannungsteilers so klein, daß dieser Spannungsteiler als Belastungskapazität für die eingangs erwähnten Stoßspannungen verwendet werden kann und selbst bei kleiner Prüflingskapazität die Spannungsform am Prüfobjekt nur in οOptimaler Form beeinflußt wird.

Zu 3: Teile des Hochspannungsteiles können jederzeit den Bedürfnissen entsprechend kurzgeschlossen oder weggenommen werden, ohne daß sich das Übertragungsverhalten wesentlich Ändert, da die Abgleichbedingungen weiterhin erfüllt »erden können. Dabei kann iraner das gleiche liiederspannungeteil verwendet werden.

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Zu 4: Das Übersetzungsverhältnis ist sehr leicht bestimmbar, da nur die kapazitive Übersetzung für die Messung verwendet wird. Der Widerstand hat nur die Funktion eines ^ämpfungswiderstandes von Ausgleichsvorgängen und eines ÄbschlußwiderStandes für die Wanderwellenvorgänge. Deshalb entfällt bei diesem Spannungsteilertyp der oft schwierige und zeitraubende Abgleich des ohmschen Übersetzungsverhältnisses auf das kapazitive Übersetzungsverhältnis, wie es beim gedämpft kapazitiven Spannungsteiler erforderlich ist.

Eine Messung und Auswertung der Antwortzeit ist gut möglich.

Patentanspruch

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Claims (1)

1. _ 9 - Patentanspruch

   Spannungsteiler für die Messung von Stoßspannungen und hohen Wechselspannungen, bestehend aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten Widerständen und Kondensatoren mit einem am niederspannungsseitigen Ende vorgesehenen Abgriff, der die niedrige Meßspannung einem Meßgerät zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß im Hochspannungsteil des kapazitiven Spannungsteilers verteilt η Widerstände R¹ eingebaut sind, die der Bedingung

   R β η R¹ --i 0,25 1,

   »⁵]f C

   genügen, wobei L die gesamte Meßkreisinduktivität und C die gesamte Teilerkapazität bedeuten und der Niederspannungs— teil nur aus einer reinen Kapazität besteht.

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