DE4124679A1 - Widerstand fuer hochohmigen spannungsteiler grosser frequenzbandbreite - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Widerstand für hochohmige Span­ nungsteiler mit großer Frequenzbandbreite, bei dem ein mög­ lichst homogenes elektrisches Feld in der Umgebung der Wider­ standssäule geformt wird.

Solche Spannungsteiler werden für die Messung hoher Spannungen benötigt, die sich zeitlich verändern. Neben der Messung des Spannungsverlaufs mit dem Oszilloskop ist die Istwerterfassung in elektronisch geregelten Hochspannungserzeugern, z. B. in Kondensatorladegeräten, insbesondere bei hohen Wiederholraten, ein Anwendungsgebiet für breitbandige Spannungsteiler.

Ohmsche Spannungsteiler zum Messen von Hochspannung bestehen in der Regel aus einer Serienschaltung von einem hochohmigen Widerstand von mehreren hundert Megohm und einem um mehrere Zehnerpotenzen kleineren Widerstand, an dem die Meßspannung abgegriffen wird. Bei zeitlich veränderlichen Spannungen wird der Potentialverlauf längs des hochohmigen Widerstands durch kapazitive Ströme zu der auf Erdpotential liegenden Umgebung gestört; diese Störung verfälscht frequenzabhängig das Teiler­ verhältnis und führt zu einem fehlerhaften Verlauf der Meß­ spannung bei zeitlich veränderlichen Spannungen.

Breitbandigkeit kann erzielt werden, indem man das elektrische Feld in unmittelbarer Nähe der hochohmigen Widerstandssäule formt. Beispielsweise kann durch eine tellerförmige Elektrode am Spannungsteilerkopf die kapazitive elektrische Feldvertei­ lung an die lineare ohmsche Spannungsaufteilung angepaßt werden; hierbei erzwingt man in der Umgebung der Widerstands­ säule ein homogenes elektrisches Feld (Adolf J. Schwab: "Hochspannungsmeßtechnik", Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1981, S. 61).

Für die Formung des elektrischen Feldes mittels Elektroden im freien Raum oder in den für die Isoliertechnik üblichen Materialien, die gewollt eine niedrige DK besitzen, wird rela­ tiv viel Raum benötigt, was die Konstruktion kompakter Geräte sehr erschwert.

Aufgabe der Erfindung ist es, die geometrischen Abmessungen von breitbandigen Spannungsteilern für Hochspannung zu verringern.

Um einen breitbandigen Spannungsteiler mit geringem Raumbedarf zu realisieren wird erfindungsmäßig zur Formung des elektri­ schen Feldes dielektrisches Material mit hoher DK eingesetzt.

Solche Dielektrika mit hohen Dielektrizitätskonstanten im Be­ reich von 90 bis 6000 sind übliche Werkstoffe für keramische Kondensatoren. Diese Werkstoffe sind hervorragend für den Bau von Feldformern für elektrische Felder geeignet und ermögli­ chen die Miniaturisierung von breitbandigen Spannungsteilern für Hochspannung.

Eine geeignete Feldformung kann dadurch erzeugt werden, daß man die hochohmige Widerstandssäule mit der Keramik hoher DK umgibt, z. B. indem man die Widerstandssäule gemäß Patentan­ spruch 2 koaxial in einem Keramikrohr positioniert. Die metal­ lisierten Stirnflächen des Keramikrohrs werden mit den beiden Anschlüssen der hochohmigen Widerstandssäule verbunden.

Da die Wandstärke des Keramikrohres klein ist im Vergleich zur Rohrlänge, ist der radiale Potentialgradient in der Rohrwand vernachlässigbar, so daß zwischen Außenwand und Innenwand kein merklicher Potentialunterschied besteht. Deshalb erhält man die gleiche Feldformung, wenn man die Keramik mit hoher DK in das Innere der Widerstandssäule verlegt, indem man einfach den Tragkörper des Widerstandes, der stabförmig oder rohrförmig von beliebiger Querschnittsform sein kann, aus keramischem Ma­ terial mit hoher DK macht, entsprechend Patentanspruch 3.

Die Keramik mit hoher DK führt grundsätzlich zu einer Erhöhung der Eingangskapazität des Spannungsteilers. Die bisher be­ trachteten erfindungsgemäßen Widerstände besitzen eine hohe Eigenkapazität. Der kapazitive Strom fließt auch über den un­ teren Widerstand des Spannungsteilers und muß dort durch eine relativ große Parallelkapazität kompensiert werden, um das Spannungsteilerverhältnis über ein breites Frequenzband beizubehalten. Große Kapazitäten können zu Schwierigkeiten be­ züglich ihrer Eigenresonanzen führen.

Um die Eigenkapazität des hochohmigen Widerstandes zu verringern, aber die feldformende Wirkung der Keramik beizubehalten, wird nach einer weiteren Ausbildung der Erfin­ dung zwischen Widerstandssäule und Keramikrohr ein Spalt ge­ lassen und die erdnahe metallisierte Kontaktfläche des Kera­ mikrohrs als dritter Anschluß des Widerstandes benutzt, der wahlweise mit der Widerstandssäule oder mit dem Bezugspotenti­ al des Spannungsteilers verbunden werden kann (Patent­ anspruch 4).

Verbindet man diesen dritten Anschluß mit dem Bezugspotential des Spannungsteilers, das gewöhnlich Erdpotential ist, so ist der kapazitive Anteil am Meßstrom sehr klein.

Bei einem 25 cm langen Keramikrohr (DK = 6000, Außendurchmes­ ser 8 mm und Innendurchmesser 5 mm) entsprach der kapazitive Anteil des Meßstroms einer Eigenkapazität der hochohmigen Wi­ derstandssäule von weniger als 10^-2 pF, so daß die notwendige Paralellkapazität am unteren Teilerwiderstand bei dem Teiler­ verhältnis von 1000 : 1 einen Wert von einigen pF haben mußte. Da Oszilloskopeingänge Kapazitäten von 10 bis 50 pF besitzen, ist es sinnvoll, die Eigenkapazität der Widerstandssäule etwas zu erhöhen, z. B. indem man die Widerstandssäule aus Widerstän­ den nach Patentanspruch 3 aufbaut oder ein zusätzliches Kera­ mikrohr unmittelbar an der Widerstandssäule anbringt, dessen untere metallisierte Kontaktfläche mit dem unteren Anschluß der Widerstandssäule verbunden wird.

Es ist natürlich auch möglich, die Spannungsteilung mit Hilfe eines Operationsverstärkers durchzuführen, indem man den er­ findungsgemäßen hochohmigen Widerstand als Vorwiderstand be­ nutzt und den niederohmigen Widerstand als Gegenkopplungswi­ derstand des Operationsverstärkers. Da breitbandige Operati­ onsverstärker mit niedriger Eingangskapazität von wenigen Pi­ cofarad zur Verfügung stehen, läßt sich so ein Spannungsteiler realisieren, bei dem mit keramischem Material hoher DK die elektrischen Streufelder vermindert werden und die geringe Ei­ genkapazität der hochohmigen Widerstandssäule nicht erhöht zu werden braucht.

Wie oben erwähnt, wird durch das keramische Material mit hoher DK grundsätzlich die Eingangskapazität des Spannungsteilers erhöht. Beispielsweise betrug bei dem oben beschriebenen 25 cm langen Keramikrohr die Eingangskapazität des Spannungsteilers 6 pF. Um die Feldformerwirkung zu verbessern oder, um ohne Verringerung der Feldformerwirkung die Eingangskapazität zu verkleinern, wird als weitere Ausbildung der Erfindung eine Mehrzahl von Keramikrohren hoher DK koaxial auf die Wider­ standssäule aufgebracht, zwischen denen sich Schichten niedri­ ger DK befinden (Patentanspruch 5).

Dem Patentanspruch 5 liegt folgende Idee zugrunde: Die Wirkung des Keramikrohrs liegt darin, daß die axialen Verschiebungs­ ströme verstärkt und die radialen Verschiebungsströme zum um­ gebenden Erdpotential dagegen vernachlässigbarer werden, was zu einer Verbesserung der Linearität des Potentialverlaufs entlang der Widerstandssäule führt. Unterteilt man die Wand­ stärke des Keramikrohres in eine Mehrzahl von Schichten, die durch Spalte voneinander getrennt sind, so verbessert man die Linearität des Potentialverlaufs an der Widerstandssäule. Die­ ser Effekt kann dazu ausgenutzt werden, bei gleicher Feldform­ wirkung keramische Masse einzusparen und die Eingangskapazität des Spannungsteilers zu verringern.

Durch die radiale Schichtung des Dielektrikums wird das Ver­ hältnis von mittlerer DK in axialer Richtung zu mittlerer DK in radialer Richtung erhöht; die mittlere DK ist anisotrop.

Die Verringerung der mittleren DK in radialer Richtung hat au­ ßer besserer Feldformwirkung noch den Vorteil, daß die Entste­ hung von Dipolwellen am langen dielektrischen Rohr behindert wird. Solche Wellen an einem dielektrischen Wellenleitersystem können zu störenden Resonanzen bei hohen Frequenzen führen.

Falls die Kapazität am Ausgang des Spannungsteilers zu hoch ist, ist es erforderlich, die Kapazität der Widerstandssäule zu erhöhen. Bei dem Widerstand gemäß Patentanspruch 5 kann hierfür die untere Metallisierung der innersten Schicht hoher DK mit dem unteren Anschluß der Widerstandssäule verbunden werden, während die unteren Kontaktflächen der übrigen Kera­ mikschichten mit dem Bezugspunkt des Spannungsteilers verbun­ den bleiben.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß Spannungsteiler zur Messung von schnell veränderlichen hohen Spannungen im Bereich von 5 bis 50 kV mit kleinen Abmessungen gebaut werden können, die insbesondere den Bau von kompakten Hochspannungs-Kondensatorladegeräten mit hohen Ladewiederhol­ raten ermöglichen.

Die Querschnitte der Keramikstäbe und -rohre müssen nicht kreisförmig sein. Auch dürfen sie Schlitze parallel zu den Verschiebungsstromlinien aufweisen. Deshalb kann man z. B. ein "Rohr" auch aus mehreren Stäben oder Rohren reusenförmig zusammensetzen.

Auch kann die Erfindung sinngemäß auf Scheibenwiderstände, bei denen der Strom radial fließt, angewandt werden. Anstatt koa­ xial ineinander geschobener Rohre werden dann die erfindungs­ gemäßen Widerstände sandwich-artig aufeinander geschichtete Keramikplatten mit hoher DK und Isolierschichten mit niedriger DK besitzen.

Die Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 3 zeigen Spannungsteiler mit Beispielen von erfindungsmäßigen hochohmigen Widerständen.

In Fig. 1 ist ein Widerstand nach Patentanspruch 2 dargestellt. Die Widerstandssäule (1) befindet sich koaxial im Keramikrohr mit hoher DK (2). Die metallisierten Kontaktflächen (3; 4) sind mit den jeweiligen Anschlüssen der Widerstandssäule (1) verbunden. Die Eigenkapazität dieses Widerstandes, bestehend aus Widerstandssäule (1) und Keramikrohr (2) ist relativ hoch (ca. 5 pF). Bei einem Teilerverhältnis von 1000:1 (250 Megohm zu 250 Kiloohm) wird dem unteren Widerstand (5) eine große Ka­ pazität (6) mit dem Wert 5 nF parallel geschaltet.

In Fig 2 ist ein Widerstand nach Patentanspruch 4 mit einer Widerstandssäule nach Patentanspruch 3 dargestellt. Die Wider­ standssäule (7) befindet sich koaxial im Keramikrohr (8), wo­ bei die untere metallisierte Kontaktfläche (9) geerdet ist. Bei der nach Patentanspruch 3 aufgebauten Widerstandssäule (7) ist die Widerstandsschicht (10) auf einen Keramikstab mit ho­ her DK (=500) (11) aufgebracht. Die Eigenkapazität der so auf­ gebauten Widerstandssäule (7) beträgt 0,5 pF, weshalb für den unteren Widerstand (12) eine Parallelkapazität (13) von 500 pF benötigt wird. Der Spalt (14) zwischen Widerstandssäule (7) und Keramikrohr (8) ist beabsichtigt.

In dieser Anordnung sind die Streufelder der Widerstandssäule - ähnlich wie bei einem Schutzringkondensator - weitgehend ausgeschaltet. Der gemessene Strom, der an der R-C- Kombination (12; 13) die Meßspannung erzeugt, fließt allein durch die Widerstandssäule (7).

Fig. 3 zeigt einen Widerstand nach Patentanspruch 5. Die sehr kapazitätsarme Widerstandssäule (15) befindet sich koaxial in den beiden Keramikrohren (16; 17), deren untere metallisierten Kontaktflächen (18; 19) hier an Erde gelegt sind. Zwischen den Keramikrohren (16; 17) befindet sich eine Schicht mit niedriger DK (20). Die hochohmige kapazitätsarme Widerstandssäule (15) wird als Vorwiderstand für den Operationsverstärker (16) benutzt, dessen Eingang kapazitätsarm ist. Das Teilerverhält­ nis 1 : 1000 wird mit dem Gegenkopplungswiderstand (17) eingestellt. An den Ausgang 18 kann ein abgeschlossenes 50- Ohm-Kabel angeschlossen werden. Es besteht bei diesem Wider­ stand die Möglichkeit, die Längskapazität des Widerstandes zu erhöhen, indem man die untere Metallisierung des inneren Kera­ mikrohrs (18) mit dem unteren Anschluß der Widerstandssäule verbindet.

Claims (5)

1. Widerstand für hochohmigen Spannungsteiler großer Frequenzbandbreite, bei dem ein möglichst homogenes elektri­ sches Feld in der Umgebung der Widerstandssäule geformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Formung des elektrischen Fel­ des dielektrisches Material mit einer hohen Dielektrizitäts­ konstante (DK) eingesetzt wird.

2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Widerstandssäule (1) koaxial in einem Rohr (2) aus keramischem Material mit hoher DK, z. B. Bariumtitanat, befindet.

3. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stab- oder rohrförmige Tragkörper, auf den das Widerstandsma­ terial aufgebracht ist, aus keramischem Material mit hoher DK 80 besteht.

4. Widerstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Widerstandssäule (1; 7) und dem Rohr mit ho­ her DK (2; 8) eine Schicht mit niedriger DK (14) befindet und die erdnahe metallisierte Kontaktfläche (9) des Keramikrohres nicht mit der Widerstandssäule verbunden ist, so daß sie wahlweise, entweder mit der Widerstandssäule oder mit dem Be­ zugspotential des Spannungsteilers verbunden werden kann.

5. Widerstand nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrer Keramikrohre mit hoher DK koaxial aufgebracht sind, zwischen denen sich Schichten mit niedriger DK befinden.