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Einrichtung zur Verlustmessung bei kondensatorartigen Objekten mit Hilfe einer Messbrücke.
Es ist bekannt, dass man sich zur Verlustmessung an kondensatorartigen Objekten, z. B. zur
Untersuchung der Isolation von Hochspannungskabeln oder Dielektriken anderer Art, einer Brücken- schaltung bedienen kann, die in einem Brückenzweig den zu messenden und in einem benachbarten einen Vergleichskondensator enthält. Für diesen Zweck hat sich besonders die bekannte Kondensator- messbrücke nach Schering eingeführt. Bei der Schering-Brücke bestehen die beiden andern Brücken- zweige aus Ohmschen Widerständen, und der Abgleich erfolgt einerseits mittels eines Ohmschen Wider- standes und anderseits mittels eines regelbaren Dekadenkondensators, der dem Brückenzweigwider- stand parallel geschaltet ist, der in der Brückenschaltung dem zu messenden Kondensator gegen- überliegt.
Bekanntlich geht bei komplexen Kompensatoren'und Brückenschaltungen die Nullabgleichung einfacher, bequemer und schneller vor sich, wenn die Abgleichmittel stetig veränderbar sind. Nun ist es aber nicht möglich, einen stetig veränderbaren Kondensator zu bauen, bei dem der Höchstwert der Kapazität die für die Schering-Brücke erforderliche Grösse von 1 (1. F entsprechend einem Verlustfaktor von tg 8 = 0,1 aufweist. Anderseits sind Brückenschaltungen für derartige Zwecke vorgeschlagen worden, bei denen der Abgleich lediglieh an Ohmschen Widerständen erfolgt, jedoch-haben diese ver- schiedener anderer Nachteile wegen sich nicht eingeführt.
Besondere Bedeutung gewinnt der Abgleich durch regelbare Ohmsche Widerstände in dem Falle, dass die Brücke mit einer Einrichtung zum selbst- tätigen Abgleich durch zwei fremderregte, gleichzeitig als phasenabhängige Nullindikatoren und Um- kehrmotoren wirkende Induktionszähler-Xesswerke (sogenannte Nullmotoren) versehen werden soll.
In diesem Falle können die Abgleichwiderstände als regelbare Spannungsteilerwiderstände ausgebildet werden, wobei die Abgriffkontakte von je einem Nullmotor gesteuert werden. Auf diese Weise ist dann eine fortlaufende selbsttätige Anzeige oder Aufzeichnung des Verlustfaktors und gegebenenfalls auch der Kapazität des Messobjektes möglich.
Es ist bereits eine Einrichtung zum Messen des Kapazitätswertes und des Verlustfaktors von kondensatorartigen Objekten mittels einer Kondensatorbrückenschaltung mit selbsttätigem Abgleich durch Nullmotoren bekanntgeworden, wobei der zur Verlustmessung dienende Abgleichwiderstand unmittelbar in dem den Normalkondensator enthaltenden Brückenzweig angeordnet ist. Diese bekannte
Schaltung lässt sich aber nur dann anwenden, wenn der verlustfreie Vergleichskondensator sehr gross ist, nämlich eine Kapazität in der Grössenordnung von 1 (J. F hat, denn nur in diesem Falle ist es mög- lich, mit einem regelbaren Widerstand in der Grössenordnung von 100 Ohm dem Zweig des Normal- kondensators einen ausreichend grossen Verlustwinkelwert zu erteilen.
Bei den praktisch in Frage kommenden Fällen, bei denen es sich meist um hohe Spannungen handelt, hat aber der Vergleichs- kondensator eine um viele Grössenordnungen kleinere Kapazität. Demzufolge müsste also der Regel- widerstand einige Megohm betragen.
Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, hat man vorgeschlagen, den Vergleichskondensator und den in dem benachbarten Zweige liegenden Brückenwiderstand mit der Sekundärwicklung eines
Spannungswandlers zu verbinden, dessen Primärwicklung an die Speisespannung angeschlossen ist.
Diese Anordnung führt in manchen Fällen zum Ziel, hat aber den Nachteil, dass ein für die volle Betriebs- spannung bemessener Präzisionsspannungswandler erforderlich ist, dessen Fehlwinkel bei der Verlustbestimmung in voller Grösse in die Messung eingeht. Ein solcher Wandler wird natürlich einerseits
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infolge dieser hohen Anforderungen an'die Messgenauigkeit und anderseits infolge der hier in Betracht kommenden sehr hohen Spannungen von der Grössenordnung bis zu 500 kV sehr umfangreich und kost-' spielig.
Bei einer andern, ebenfalls mit Ohmschen Regelwiderständen arbeitenden Brückenschaltung, bei der ein in einem Brückenzweig liegender Schleifdraht mehr oder weniger durch einen festen Kondensator überbrückt wird, ist der für viele Zwecke schwerwiegende Nachteil vorhanden, dass der sich ergebende Skalenverlauf einer quadratischen Funktion entspricht, während im allgemeinen stets eine lineare Abbildung gefordert wird.
Gegenstand der Erfindung ist nun in erster Linie eine neue'Bruckensehaltung, bei der der Abgleich an zwei regelbaren Ohmschen Widerständen erfolgt und die Nachteile der bisher bekannten Einrichtungen zur Verlustmessung an kondensatorartigen Objekten vermieden sind. Dies wird gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass in dem Stromkreis des Vergleichskondensators ein Hilfskondensator eingeschaltet ist, an den über einen Transformator der eine der beiden Abgleichwiderstände angeschlossen ist. Der zweite Abgleichwiderstand kann an den Stromkreis des zu messenden Kondensators angeschlossen werden.
Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist in Fig. 1 in einem grundsätzlichen Schaltbild dargestellt.
Dabei ist angenommen, dass es sich um eine Brückenschaltung handelt, die entsprechend der. ScheringBrücke in zwei benachbarten Brückenzweigen Ohmsche Widerstände enthält.
An eine Wechselstromquelle von der Spannung U ist eine Brückenschaltung angeschlossen, die in einem Brückenzweige den zu messenden Kondensator Ox, in einem zweiten einen verlustfreien Normalkondensator ON, in dem dem ersten gegenüberliegenden einen Ohmschen Widerstand RN und in dem dem zweiten gegenüberliegenden Brückenzwege einen Ohmschen Widerstand RK enthält.
Die beiden, Cx bzw. RK enthaltenden Brückenzweige werden bei abgeglichener Brücke von einem
Strom Jx und die beiden andern von einem Strom JN durchflossen.
In den Stromkreis JN ist nun ein Hilfskondensator OH eingeschaltet, an den über einen Transformator T ein als Schleifdraht ausgebildeter Spannungsteilerwiderstand R2 angeschlossen ist, dessen durch einen verschiebbaren Abgriffkontakt K2 begrenzter Widerstandswert mit r2 bezeichnet ist. Dabei möge durch an sich bekannte in der Zeichnung nicht dargestellte Mittel dafür gesorgt sein, dass der den Widerstand j & durchfliessende Strom um 90 in der Phase gegenüber dem den Normalkondensator ON durchfliessenden Strom JN verschoben ist.
Dabei wird die, Kapazität des Hilfskondensators Cil zweckmässig so gross gewählt im Vergleich zu der Kapazität ON des Vergleichskondensators, dass der Widerstand des Hilfskondensators mit der an ihn angeschlossenen Abgleichschaltung gegenüber dem kapazitiven Widerstand des Vergleichskondensators vernachlässigt werden kann.
Ein ähnlicher Spannungsteilerwiderstand , dessen von dem zugehörigen Abgriffkontakt Kl
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ment dienendes Vibrationsgalvanometer N ist einerseits an den Abgriffkontakt K, und anderseits an den Anfangspunkt des Widerstandes r2 angeschlossen.
In Fig. 2 ist das zugehörige Vektordiagramm dargestellt. Man erkennt daraus, dass der Strom. IN in der Phase der Speisespannung U um 900 voreilt, während der Strom J infolge des Verlustwinkels 0
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ergibt sich aus dem in Fig. 2 dargestellten Spannungsdreieck
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Da aber RN konstant ist, so ist der Verlustfaktor tg # verhältnisgleich r2, und die Verschiebung des Abgriffkontaktes K2 entspricht in linearem Verhältnis der Grösse des Verlustfaktors tg 8.
. Im allgemeinen ist es aber zweckmässiger, wenn beide Abgleichwiderstände an den Stromkreis des Vergleichskondensators'angeschlossen werden. Auch in diesem Falle werden die beiden Abgleichwiderstände vorzugsweise als Spannungsteilerwiderstände ausgebildet und ihre veränderbaren Teile in Reihe in den Diagonalzweig der Brücke eingeschaltet. Ausführungsbeispiele dieser Art zeigen die Fig.
In Fig. R ist eine Brückenschaltung der gleichen Art wie in Fig. 1 gezeichnet. In dem Stromkreis des Vergleichskondensators CN, der von dem Strom JN durchflossen wird, liegt wieder ein Hills- kondensator C an den über einen Transformator T in der gleichen Weise wie bei der Schaltung nach
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ist. In den gleichen, Stromkreis ist nun ein Ohmscher Widerstand Rp eingeschaltet, an den ein zweiter Schleifdraht R angeschlossen ist, dessen veränderbarer Teil mit r1 bezeichnet ist. In dem Diagonalzweig liegen dkWiderstände r1 und r2 mit dem Vibrationssalvanometer N in. Reihe.
Dadurch wird der von
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dem Strom Jx an dem Widerstand RIZ hervorgerufene Spannungsaball UK = JX . RK durch zwei veränderbare, um 90 gegeneinander phasenverschobene Vergleichsspannungen U1 und U2 abgeglichen.
Dabei liegt die Spannung U1 an den Widerständen RN und r1 und die Spannung U2 and r2.
Da der Schleifdraht R1 nebst Parallelwiderstand Rp mit dem Widerstand RN in Reihe geschaltet
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Teilspannungen U1 und U2 ergeben sich nun folgende Beziehungen :
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Fig. 4 zeigt das zugehörige Vektordiagramm. Denkt man sich nun in der bekannten Darstellungsweise entsprechend Fig. 5 den zu prüfenden, mit dielektrischen Verlusten behafteten Kondensator Cx ersetzt durch einen verlustfreien Kondensator C, dem ein Widerstand p parallel geschaltet ist, so ergibt sich, da RK gegenüber 1/# C und p vernachlässigt werden darf, das in Fig. 6 dargestellte Diagramm, dem folgende Beziehungen zu entnehmen sind :
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f aktor tg a durch den Widerstand r2 linear abgebildet wird.
Die Erfindung ist aber auch in Verbindung mit Brückenschaltungen anderer Art anwendbar.
So zeigt z. B. Fig. 7 eine Schaltung, bei der sämtliche vier Brückenzweige Kondensatoren enthalten. Im übrigen ist die Schaltung die gleiche wie in Fig. 3. In diesem Falle sind die Phasen jedoch durch die an Stelle der Ohmschen Widerstände RK und RN tretenden Kondensatoren CK bzw. ON'um 900 verschoben. Infolgedessen bildet die Einstellung am Spannungsteilerabgriff K1 ein Mass für den Verlustfaktor tg 0 und die Einstellung an K2 ein Mass für die Kapazitätsänderung A C.
Bei einer solchen Anordnung, die in dem Stromkreis JN ausser dem Normalkondensator CN noch einen Kondensator ON'enthält, können die beiden andern Brückenzweige auch durch die entsprechend unterteilte Sekundärwicklung eines an die Speisespannung angeschlossenen induktiven Übertragers gebildet werden.
Ein Ausführungsbeispiel für eine Einrichtung gemäss der Erfindung mit selbsttätigem Abgleich durch Nullmotoren ist in Fig. 8 dargestellt. Dabei ist angenommen, dass ein Drehstromnetz zur Verfügung steht, an das die Brückenschaltung einphasig mittels eines Hochspannungstransformators angeschlossen ist, wobei die Sekundärspannung U als Speisespannung wirkt. Die eigentliche Brückenschaltung ist im wesentlichen ebenso wie bei der Anordnung nach Fig. 3 nach Art einer Schering-Brücke aufgebaut und auch im übrigen entspricht die Schaltung grundsätzlich der in Fig. 3 dargestellten.
Die gleichen Teile sind daher auch in Fig. 8 mit den gleichen Buchstaben bezeichnet wie in Fig. 3. Hier ist nun genauer angegeben, wie man erreichen kann, dass die Spannung U2 genau um 90 in der Phase gegen JN verschoben ist. Zu diesem Zweck ist z. B. mit der Sekundärwicklung des Transformators T ein Kondensator Cp unter Vorschaltung eines Widerstandes R' verbunden und der Scbleifdraht R2 unter Vorschaltung eines Widerstandes R" an den Kondensator 0 p angeschlossen. Statt dessen kann aber auch eine andere an sieh bekannte Schaltung gewählt werden.
Die selbsttätige Abgleichung der Brücke auf Stromlosigkeit des Nullzweiges wird durch zwei fremderregte, gleichzeitig als phasenabhängige Nullindikatoren und Umkehrmotoren wirkende Induktionszähler-Messwerke ss', S"1, Z1, Y1
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werden von einem an das Drehstromnetz angeschlossenen Drehfeld-Phasenregler PA mit den sinusförmig verlaufenden, um 900 gegeneinander in der Phase verschobenen Strömen JSl > JS2 fremderregt.
Die Stromwicklungen /', S"2 sind hintereinandergeschaltet und über einen wechselstromgespeisten Röhrenverstärker V mit dem Nullzweig verbunden, so dass sie von dem der Eingangsspannung Uo proportionalen Ausgangsstrom Jo durchflossen werden. Da bei konvergenzgerechter Phaseneinstellung der die beiden Richtvektoren darstellenden Erregerfelder dieser Messwerke ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Drehrichtung der Ankerscheibe Z bzw. Z und der zum konvergenten Abgleich notwendige Abgleichriehtung vorhanden ist, so erfolgt die Beeinflussung der Schleifkontakte Kb J {4 stets im Sinne der angestrebten Abgleicheinstellung.
Dabei ist die jeweilige Drehgeschwindigkeit von bzw. Z2 der jeweiligen Abweichung \ om Abgleichzustand proportional. Je mehr Kl bzw. K2 an die Abgleichstellung herankommt, desto langsamer läuft 7"bzw. 7" ; ein Überschwingen oder Pendeln der mit Kl bzw. K2 gekuppelten Anzeigeorgane oder Schreibfedern zum Aufzeichnen der Messgrösse ist daher ausgeschlossen.
Da sich die Schering-Brücke mit Handabgleich in erheblichem Umfange für Verlustmessungen an kondensatorartigen Objekten eingeführt hat, erscheint es in vielen Fällen wünschenswert, eine vorhandene normale Schering-Brücke durch eine Zusatzeinrichtung so zu ergänzen, dass der Abgleich selbsttätig erfolgt. Dies ist gemäss der Erfindung dadurch möglich, dass man unter Nichtbenutzung des Dreidekaden-Abgleichkondensators mit der Brücke in geeigneter Weise eine Zusatzanordnung verbindet ; die den Hilfskondensator OH und den Transformator T nebst der zugehörigen Schaltung und gegebenenfalls auch den Widerstand RP enthält. An diese Zusatzanordnung werden dann, vorzugs-
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vorrichtungen angeschlossen.
Eine derartige Anordnung ist in Fig. 9 dargestellt. Dabei ist mit 1 der sogenannte Brückenkasten einer normalen Schering-Brücke bezeichnet. Er ist mit Anschlussklemmen 2-10 versehen. Die Klemmen 2 und 4 sind zum Anschluss des zu messenden bzw. des Normalkondensators bestimmt. Die Klemme 3 dient zum Anschluss des zu erdenden Endes der Sekundärwicklung des Hochspannungstransformators 11. An die Klemmen 5 und 6 wird bei der üblichen Benutzung der Brücke der Drei- dekaden-Kurbelkondensator angeschlossen. Die Klemmen 7 und 8 dienen dabei zum Anschluss eines Vibrationsgalvanometers. An die Klemmen 9 und 10 wird der Vierdekaden-Regelwiderstand 12 angeschlossen.
Gemäss der Erfindung wird nun zum selbsttätigen Abgleich ein Zusatzkasten 13 benutzt. Er enthält den Hilfskondensator CE, den Transformator T, den Kondensator Op und die Ohmschen Widerstände R', E'und Rp. Diese Innenteile sind entsprechend der Schaltung nach Fig. 8 miteinander verbunden. Der Zusatzkasten 13 trägt einerseits vier Klemmen 14-17, die in der aus der Zeichnung erkennbaren Weise angeschlossen sind, und anderseits sieben Klemmen 18-24, die zum Anschluss eines vieradrigen Kabels 25 und eines dreiadrigen Kabels 26 dienen. Das Kabel 25 führt zu einem Gerät 27 zum Anzeigen oder Aufzeichnen des Verlustfaktors und das Kabel 26 zu einem Gerät 28 zum Anzeigen oder Aufzeichnen der Änderungen der Kapazität Ox.
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in der aus Fig. 8 erkennbaren Anordnung und Schaltung.
Sie tragen auf der einen Seite Klemmen 18' bis 21'für den Anschluss des Kabels 25 bzw. 22'-24'für den Anschluss des Kabels 26 und auf der
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des Verstärkers V verbunden. Dieser trägt ausserdem zwei Klemmen 37, 38 für den Anschluss an das Netz 39 und zwei Klemmen 40, 41, die mit den Klemmen 8 bzw. 15 verbunden sind. Die Schaltung stimmt im übrigen mit dem Schaltbild der Fig. 8 überein.
Die Klemmen 5 und 6 des Brückenkastens 1 bleiben zunächst ebenso wie die Klemme 7 frei.
Man kann sie aber auch zum Anstecken eines Kästchens 42 benutzen, wenn der Skalenbereich der Anzeige bzw. Aufzeichnung erweitert werden soll.
Zu diesem Zweck kann an die bei der normalen Schering-Brücke für den Anschluss des regelbaren Kondensators vorgesehenen Klemmen 5, 6 ein Ohmscher Widerstand 44 angeschlossen werden. Dieser wird dadurch zu dem in den Brückenkasten eingebauten und mit den Klemmen 5,6 verbundenen
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auf 0... 6%. Durch Wahl entsprechend bemessener Werte des Parallelwiderstandes kann man den Skalenbereich noch weiter steigern. Es ist aber auch eine Verengung des Skalenbereiches möglich, u. zw. dadurch, dass man einen passend bemessenen Widerstand 45 als Vorwiderstand zwischen die Abgleichschaltung und den Widerstand RN einschaltet. Zu diesem Zweck ist in Fig. 9 eine Lasche 46 vorgesehen, nach deren Entfernen ein einen Widerstand 45 enthaltendes Kästchen 43 an die Klemmen 16,
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Mit der beschriebenen Einrichtung wird zweckmässig in folgender Weise gearbeitet : Bei Beginn der Prüfung wird die Brücke bezüglich des Verhältnisses OX/ON durch entsprechende Einstellung des in den Kasten 12 eingebauten Widerstandes RK so abgeglichen, dass der Schleifkontakt K1 bei Stromlosigkeit des Nullzweiges (us =. 0) auf den beliebig wählbaren Bezugspunkt Oc des Schleifdrahtes R1 einspielt. Der Schleifkontakt K2 nimmt dabei selbsttätig eine Winkelstellung entsprechend dem Widerstand r2 ein, die dem Verlustfaktor tg des Messobjektes Cx entspricht. Der Anzapfpunkt 08 stellt den Nullpunkt für die tao-messung dar.
Wenn nun, beispielsweise bei Dauerbelastung oder bei Steigerung der Betriebsspannung U, eine Änderung von Cx oder von tg auftritt, so stellen die beiden Nullmotoren die von ihnen gesteuerten Schleifkontakte stets so ein, dass der Nullzweig stromlos bleibt ; die mit den Schleifkontakten gekuppelten Zeiger oder Schreibfedern ergeben somit eine selbsttätige
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Ist eine Anzeige oder Aufzeichnung von A C nicht erforderlich, so ist die entsprechende Abgleichvorrichtung trotzdem vorzusehen, wobei nur die Anzeige oder Aufzeichnungsvorrichtung wegfällt. Ebenso könnte, falls nur eine Anzeige oder Aufzeichnung von A C gewünscht wird, die mit dem Abgleichwiderstand für tg gekuppelte Anzeige- oder Aufzeichnungsvorrichtung fortgelassen werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Verlustmessung bei kondensatorartigen Objekten mit Hilfe einer Brückenschaltung, die in einem Brückenzweige den zu messenden und in einem benachbarten einen Vergleichskondensator enthält, und eines komplexen Kompensators, bei dem die beiden Spannungskomponenten an je einem Ohmsehen Abgleichwiderstand abgegriffen werden, dadurch gekennzeichnet, dass in den Stromkreis des Vergleichskondensators ein Hilfskondensator eingeschaltet ist, an den über einen Transformator der eine der beiden Abgleichwiderstände angeschlossen ist.