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Wechselstrom-Meßbrücke
Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine Anordnung
zu schaffen, die eine leichte und genaue Messung insbesondere auch des Phasenwinkels
von Hochohmwiderständen mittels hoher Wechselspannung ermöglicht. Dies wird nach
der Erfindung durch eine besondere Ausgestaltung der bekannten, von K. W.
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Wagner angegebenen Wechselstrom-Meßbrücke mit Hilfszweig, deren Prinzipschaltung
in Fig. 1 dargestellt ist, erreicht.
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An die Wechselspannungsquelle U sind drei Stromkreise angeschlossen.
Die beiden Stromkreise #1, #2 und #x, #3 bilden zusammen die eigentliche Meßbrücke,
deren komplexe Widerstände #1, #2 und #3 so abgestimmt werden, daß zwischen den
Klemmen a und b Spanuungsgleichheit besteht und somit die Beziehung 91 92 : erfüllt
ist, aus der der komplexe Widerstand #x berechnet werden kann. Der Wagnersche Hilfszweig
#5, #6 hat den Zweck, das Potential der Punkte a und b auf Erdpotential abzugleichen
und hierdurch die an diesen Punkten angreifenden Streukapazitäten der Brückenzweige
#1, #2, #3 und #x gegen Erde unwirksam zu machen. Zu diesem Zweck wird der Punkt
c geerdet und der komplexe Widerstand #6 SO eingeregelt, daß zwischen den Punkten
b und c Spannungsgleichheit besteht, also Punkt b ebenso wie c das Erdpotential
Null erhält. Durch abwechselndes Abgleichen der Brückenzweige #1, #2, #3 auf Span-
nungsgleichheit
zwischen a und b und des komplexen Widerstandes 6 auf Spannungsgleichheit zwischen
b und c wird schließlich der genaue Abgleich mit Spannungsgleichheit zwischen den
drei Punkten a, b, c und der Erde erreicht. G1 und G2 sind empfindliche Nullinstrumente.
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Die Ausgestaltung nach der Erfindung einerWechselstrombrücke mit
einem Hilfszweig nach K. W. Wagner, insbesondere für Messungen der Größe und des
Phasenwinkels von Hochspannungswiderständen unter Hochspannung, möge an Hand des
in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die Anordnung
ist dabei erfindungsgemäß so getroffen, daß zwischen den Anschlüssen für die Spannungsquelle
eine Reihenschaltung aus zwei verlustarmen, vorzugsweise unveränderlichen Kapazitäten
Cj und C2 liegt und daß zwischen den gleichen Klemmen eine Reihenschaltung aus dem
zu messenden Widerstand 90 einerseits und einer Widerstandskombination andererseits
angeordnet ist, wobei die Widerstandskombination aus der Reihenschaltung eines festen
oder stufenweise veränderbaren Widerstandes R4 mit einem stufenlos regelbaren Widerstand
R3 besteht, und an die Verbindungsstelle der beiden letztgenannten Widerstände das
eine Ende einer stufenlos einstellbaren Kapazität C3 angeschlossen ist, deren anderes
Ende durch einen Umschalter S entweder an Erde gelegt werden kann oder an die Verbindungsstelle
zwischen dem zu messendenWiderstand unddergenanntenWiderstandskombination, so daß
je nach Schalterstellung sowohl Prüflinge mit induktiver als auch solche mit kapazitiver
Phase durch Brückenabgleich gemessen werden können. Durch den Einbau eines Kondensators
C auf der Hochspannungsseite der erfindungsgemäßen Brücke kann in einfachster Weise
ein gutes, für den Betrieb mit Hochspannung geeignetes hochohmiges Widerstandsnormal
von sehr geringem Fehlwinkel geschaffen werden.
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Mittels eines einfachen Umschalters S können sowohl kapazitive als
auch induktive Fehlwinkel des Prüflings Sx erfaßt werden. Dies ergibt den Vorteil,
daß alle vorkommenden Messungen mit den gleichen veränderbaren geeichten Widerständen
(R3 und C3) durchgeführt werden können. Der Brückenzweig 23 besteht aus einem festen
oder gegebenenfalls in Stufen veränderbaren, möglichst fehlwinkelfreien Widerstand
R4, einem regelbaren Widerstand Rs und einem regelbaren Kondensator C3. Bei kapazitivem
Fehlwinkel des Prüflings i30, (Vorauseilung des Stroms Jx gegenüber U,) wird C3
mit R3 parallel geschaltet, es ist dann:
Bei induktivem Fehlwinkel werden die Widerstände R4, Ra und die Kapazität C3 im
Stern zusammengeschaltet, wobei R4 an den Punkt o, R3 an den Punkt a und C3 an Erde
geschaltet ist. Dieser Stern ist gleichwertig mit einem Dreieck, wobei zwischen
den Punkten o und a der Widerstand R4 a R3 + jo Q R3 R4 liegt, woraus sich der kapazitive
Widerstand des Prüflings ergibt: Sx = C1 (R4 + R3 + jcoC3 R3 R4) C, Dagegen sind
die Widerstände der Dreieckseite sowohl zwischen dem Punkt 0 und Erde als auch zwischen
Punkt a und Erde im abgeglichenen Zustand der Brücke unwirksam.
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Als Nullinstrument wird ein Vibrationsgalvanometer verwendet, das
durch einen einfachen Umschalter auf den Hilfskreis (Punkt b, c) oder den Nullzweig
(Punkt a, b) geschaltet wird. Die Kapazität C1 wird zweckmäßig durch einen Preßgaskondensator
realisiert, während C2 als Präzisionsluftkondensator auszubilden ist. Die gesamte
Niederspannungsmeßeinrichtung wird in einen Faraday-Käfig eingebaut.
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Der Widerstand R4 wird aus Hochohmkordel hergestellt, die sich wegen
ihrer äußerst geringen Selbstinduktion und inneren Kapazität und der ebenfalls geringen
Kapazität gegenüber der Umgebung besonders gut für diesen Zweck eignet. Sehr vorteilhaft
wäre mit Rücksicht auf den Temperaturkoeffizienten eine Hochohmkordel mit Manganin-
oder Konstantanbewicklung, die jedoch nur mit verhältnismäßig niedrigen Widerstandswerten
(bis etwa 10 kQ je Meter Kordellänge) erhältlich ist. Um zwecks Geringhaltung der
Kapazität (besonders derjenigen gegen Erde) mit möglichst kurzen Kordelstücken auszukommen,
kann es insbesondere bei der Herstellung sehr hochohmiger Widerstände R4 zweckmäßig
sein, eine Hochohmkordel zu benutzen, die mit Chromnickeldraht bewickelt ist und
daher zwar einen größeren Temperaturkoeffizienten aufweist, dafür aber mit einer
geringeren Länge bei gleichem ohmschem Widerstand hergestellt werden kann. Der hierdurch
entstehende Fehler kann jedoch unter Berücksichtigung der Raumtemperatur und der
Strombelastung der Kordel korrigiert werden.
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Durch geeignete Bemessung des Widerstandes R4 hat man es in der Hand,
den Größenbereich für den Widerstand R3 und die Kapazität C3 so zu wählen, wie es
den Anforderungen der Messung und den jeweils verfügbaren Geräten am besten entspricht.
Überdies hat man die Möglichkeit, durch Messung des gleichen Wertes Sz mit verschiedenen
Werten R4 und den entsprechend eingestellten Werten Ra und C3 die Genauigkeit der
Messung zu kontrollieren.
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Der Wagnersche Hilfskreis gemäß Abb. I ist in Weiterbildung des Erfindungsgedankens
so abgewandelt, daß auf den Einbau eines besonderen hochspannungsseitigen Widerstandes
verzichtet ist, und zwar auf Grund der Erkenntnis, daß bei richtigem Abgleich der
Brückenzweige i 2v ,, 3 die Punkte a und b unter dem Einfluß der an diesen Punkten
angreifenden Kapazitäten gegen Erde sich von selbst auf Erdpotential einstellen
würden, wenn nicht Streukapazitäten und Ableitungsverluste der Hochspannungsleitung
h sowie der Spannungsquelle U und anderer Hochspannungsapparate eine andere Potentialverteilung
hervorrufen würden.
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Dem aus einer Parallelschaltung eines regelbaren ohmschen Widerstandes
R, und der regelbaren Kapazität C, bestehenden komplexen Widerstand des Hilfskreises
kommt also lediglich die Aufgabe zu, die Streukapazitäten und Ableitungen (in Abb.
2 mit Sv bezeichnet) auf der Hochspannungsseite annähernd im gleichen Verhältnis
wie in den Brückenzweigen nachzubilden: #v #1 #x = = .
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#b #2 #3 Außerdem wird durch die galvanische Verbindung des Punktes
o über den Widerstand Rw mit der Erde sichergestellt, daß etwaige Gleichspannungsaufladungen
zur Erde abgeleitet werden.
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In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist es möglich,
parallel zum Hilfszweig Rw, C, einen Spannungsmesser zu schalten, aus dessen Anzeige
man auch mit Hilfe der bekannten Brückendaten die Höhe der angelegten Gesamtspannung
und die am Prüfling anliegende Spannung leicht und genau ermitteln kann.
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Die einzelnen Brückenzweige werden so angeordnet, daß Streukapazitäten
gegen Erde möglichst nur an den Enden der Brückenzweige (also an den Punkten a,
b, c sowie an den Verzweigungspunkten h und o), jedoch nicht im Innern der Brückenzweige
angreifen.
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Besonders wichtig ist dies für den Brückenzweig 93; die an dem Knotenpunkt
k der Widerstände R3, R4 und der Kapazität C3 angreifenden Streukapazitäten müssen
durch Verwendung kurzer, nicht abgeschirmter Verbindungsleitungen niedrig gehalten
werden. Ferner ist anzustreben, daß der Widerstand Rs möglichst nur an seinem erdseitigen
Ende (also nahe der Klemme a) Kapazität gegen Erde bzw. Gehäuse besitzt. Auch dadurch,
daß R3 sehr viel kleiner als R4 gewählt wird, kann ein störender Einfluß der an
dem Knotenpunkt angreifenden Streukapazität weitgehend vermieden werden.
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Mit Hilfe der Anordnung nach der Erfindung ist es möglich, die Impedanz
von Hochohmwiderständen unter hoher Wechselspannung leicht und sehr genau zu messen.
Insbesondere kann der Phasenwinkel des Prüflings mit einer Genauigkeit < 0,OI
°/0 ermittelt werden.