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Kapazitätsarmer Spannungsteiler für Höchstspannungen
Für die genaue Messung von Stossspannungen, speziell von in der Stirn abgeschnittenen Stosswellen, benötigt man Spannungsteiler extrem niedriger Kapazität, da die Eigenfrequenz des aus Zuleitungsinduk- tivität und Teilerkapazität bestehenden Schwingungskreises in der Grössenordnung voneinigenMHzgehal- ten werden muss, wenn nicht durch die sich dem zu messenden Vorgang überlagernde, in diesem Schwin- gungskreis angeregte Eigenschwingung eine unzulässige Verfälschung verursacht werden soll.
Für die Induktivität der Zuleitung zwischen dem Spannungsteiler und dem jeweiligenprüfobjekt muss bei sehr hohen Spannungen mit Werten der Grössenordnung von 10 ,uH gerechnet werden, da wegen der erforderlichen Spannungsabstände eine gewisse Leitungslänge nicht unterschnitten werden kann. Um die Eigenfrequenz genügend hochzuhalten, muss daher die Tellerkapazität möglichst klein bleiben und soweit als möglich in der Grössenordnung von 100 bis 200 pF liegen.
FUr Spannungen bis 2 MV sind nach diesen Prinzipien aufgebaute Widerstandsteiler bekannt, bei denen die Hochspannungselektrode zu einem Schirm erweitert ist, wodurch das Potential in der Umgebung der Messimpedanz so gesteuert wird, dass jedes Element der Messimpedanz an einer Stelle angeordnet werden kann, deren elektrostatisches Potential gleich seinem Potential ist. Oberhalb dieser Spannungswerte
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Teilerwiderstandes der Schirmdurchmesser extrem gross gehalten werden muss, wobei ausserdem bei ungünstiger Formgebung die Gefahr von Teilentladungen in der umgebenden Luft besteht, durch welche die Potentialverteilung entlang des Widerstandes gestört werden könnte.
Vielfach kommen auch in bekannter Weise Spannungsteiler mit die Messimpedanz eng umschliessender Steuerkapazität (brit. Patentschrift Nr. 220, 785) zur Anwendung. Bei diesen muss jedoch das Potential des Steuerkondensators überall genau mit demjenigen der Messimpedanz übereinstimmen, da bereits bei kleineren Abweichungen stärkere rückwärtige Beeinflussungen des Stromes in der Messimpedanz durch die relativ grossen Kopplungskapazitäten zwischen der Messimpedanz und den sie umhüllenden Steuerelektroden auftreten. An dieser Tatsache ändert sich auch wenig, wenn man die Messimpedanz in gewissen Abständen mit ringförmigen Steuerelektroden umgibt, welche diese eng umschliessen und mit einem besonderen Steuerkondensator gepolt sind.
In diesem Fall heben sich die entgegengesetzten Beeinflussungen auf die potentialmässig höher und tiefer als die Steuerelektroden liegenden Teile der Messimpedanz nur dann gegenseitig auf, wenn die Steuerelektroden genau auf dem mittleren Potential der benachbarten Teile der Messimpedanz liegen.
Um bei dieser Ausführungsform auch bei höheren Spannungen eine genügend gleichmässige Spannungsverteilung entlang des Steuerkondensators zu erreichen, muss dieser mit relativ grosser Kapazität gewählt werden, da sonst die von aussen angreifenden Streukapazitäten gegen Erde diese Spannungsverteilung verändern und dadurch eine Rückwirkung auf die Messimpedanz zur Folge haben. Dadurch ist es nicht mehr möglich, die Kapazität des Spannungsteilers genügend klein zu halten, weshalb die mit dieser Ausführung erreichbare Messgenauigkeit bei Stossspannungen in vielen Fällen unbefriedigend bleibt.
Auch bei kapazitiven Spannungsteiler für hohe Wechselspannungen ist es erwünscht, eine extrem niedrige Teilerkapazität bei hohen Maximalspannungen zu erreichen, da sich bei grossen Teilerkapa- zitäten eine zu grosse kapazitive Belastung des Prilftransformators ergeben kann.
Nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Potentialverlauf entlang der Messimpedanz so zu führen, dass die Rückwirkung der Steuerelektroden auf die Messimpedanz klein bleibt und die durch Streukapazitäten bedingten Verfälschungen im Spannungsteiler innerhalb zulässiger Grenzen bleiben.
Im Gegensatz zu den bisher üblichen Anordnungen wird dabei das Potential entlang der Messimpedanz
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gesonderten Steuerkondensator C gepolt, wobei die Teilkapazitäten desselben so gestuft sind, dass sich durch die Kombination der Steuerkapazitäten CS1'.. Csi und der Streukapazitäten gegen Erde Ce... Cei gemäss dem Ersatzschaltbild Fig. 2 eine ungefähre lineare Spannungsverteilung über die Steuerkapazitäten Cs und damit auch entlang der von diesen umgebenen Teilerimpedanz J ergibt.
Der Durchmesser dieser ringförmigen Steuerelektroden muss ein Mehrfaches grösser als der Durchmesser der eigentlichen Messimpedanz sein. Die Kopplungskapazitäten zwischen den Ringen und der Messimpedanz sind dann so klein, dass auch bei gewissenAbweichungen von dergleichmässigenPotentialsteuerung die von den Steuerringen auf die Messimpedanz übertragenen Störspannungen klein bleiben.
Dadurch ist es möglich, die Steuerkapazität sehr klein zu wählen, wobei bewusst Glimmerscheinungen, Einfluss verschieden grosser Streukapazitäten, Streuungen in der Anordnung von Steuer- und Messelementen und andere Effekte bedingte Abweichungen von der linearen Spannungsverteilung entlang des Steuerkondensators zugelassen werden können, da sie infolge der speziellen Anordnung nur zu relativ geringen Beeinflussungen des Teilerstromes führen. Im Extremfall ist es sogar möglich, die erdseitige Teilkapazität C si des Steuerkondensators verschwinden zu lassen und im Ersatzschaltbild Fig. 2 Ce 0 zu setzen. Die Streukapazität Cel des untersten Potentialsteuerringes bildet dann allein die unterste Kapazität der Potentialsteuerung.
Da sich die einzelnen Potentialsteuerringe nach Art von Bundelleitem gegenseitig nach aussen abschirmen, ist es auch leicht möglich, die Ringe derart zu dimensionieren, dass an der Aussenseite der Ringe auch bei sehr grossen Spannungen keine Gllmmerscheinungen auftreten und dadurch die Steuerung auch bei hohen'Spannungen ohne Verfälschung erhalten bleibt.
Die Potentialsteuerringe können dabei mit zunehmendemHochspannungspotential in immer kürzeren Abständen aufeinanderfolgend angeordnet werden, wodurch bei gleicher Ausbildung der Ringe eine immer bessere gegenseitige Abschirmung nach dem Prinzip der Bündelleiter erreicht wird. Dadurch ist es möglich, die Oberflächen-Feldstärken an den Steuerelektroden und die Sicherheit gegen das Auftreten von Glimmerscheinungen in einfacher Weise zu koordinieren.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kapazitätsarmer Spannungsteiler für höchste Spannungen, bei dem das Potential durch ringförmige, die Messimpedanz konzentrisch umgebende Elektroden, die mit zwischen denselben : angeordneten ge- sonderen Steuerkondensatoren gepolt sind, gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der ringförmigen Steuerelektroden (B) um ein Mehrfaches grösser als der Durchmesser der eigentlichen Messimpedanz (A) ist und die Kapazitäten der Steuerkondensatoren (C) so gewählt sind, dass sich durch die
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Cgj)fähr eine lineare Spannungsverteilung über die Steuerkapazitäten und damit auch entlang der von diesen umgebenen Teilerimpedanz (J) ergibt.
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Low capacitance voltage divider for extra high voltages
For the precise measurement of surge voltages, especially of shock waves cut off in the forehead, voltage dividers with extremely low capacitance are required, since the natural frequency of the oscillating circuit, which consists of supply line inductance and divider capacitance, has to be kept in the order of magnitude of a few MHz, if not by the appropriate one The self-oscillation that is superimposed on the measuring process and is excited in this oscillation circuit is intended to cause an impermissible falsification.
For the inductance of the supply line between the voltage divider and the respective test object, values of the order of magnitude of 10 uH must be expected at very high voltages, since a certain line length cannot be undercut due to the required voltage spacing. In order to keep the natural frequency high enough, the plate capacitance must therefore remain as small as possible and, as far as possible, be in the order of 100 to 200 pF.
Resistance dividers based on these principles are known for voltages up to 2 MV, in which the high-voltage electrode is expanded to form a screen, whereby the potential in the vicinity of the measuring impedance is controlled in such a way that each element of the measuring impedance can be arranged at a point with its electrostatic potential is equal to its potential. Above these voltage values
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Divider resistance, the screen diameter must be kept extremely large, and if the shape is unfavorable, there is also the risk of partial discharges in the surrounding air, which could disturb the potential distribution along the resistor.
In a known manner, voltage dividers with a control capacitance that closely encloses the measurement impedance (British patent specification No. 220, 785) are also used. With these, however, the potential of the control capacitor must exactly match that of the measurement impedance everywhere, because even with smaller deviations, stronger backward influences on the current in the measurement impedance occur due to the relatively large coupling capacitances between the measurement impedance and the control electrodes surrounding it. Little changes in this fact if the measuring impedance is surrounded at certain intervals with ring-shaped control electrodes, which surround them closely and are polarized with a special control capacitor.
In this case, the opposing influences on the parts of the measurement impedance that are higher and lower in terms of potential than the control electrodes only cancel each other out if the control electrodes are exactly at the mean potential of the adjacent parts of the measurement impedance.
In order to achieve a sufficiently even voltage distribution along the control capacitor in this embodiment, even at higher voltages, the control capacitor must be selected with a relatively large capacitance, since otherwise the stray capacitances against earth acting from the outside will change this voltage distribution and thus have an effect on the measurement impedance. As a result, it is no longer possible to keep the capacitance of the voltage divider sufficiently small, which is why the measurement accuracy that can be achieved with this design remains unsatisfactory in the case of surge voltages.
Even with capacitive voltage dividers for high AC voltages, it is desirable to achieve an extremely low divider capacitance at high maximum voltages, since large divider capacities can result in an excessive capacitive load on the test transformer.
According to the present invention, it is possible to guide the potential profile along the measurement impedance in such a way that the reaction of the control electrodes on the measurement impedance remains small and the distortions in the voltage divider caused by stray capacitances remain within permissible limits.
In contrast to the arrangements customary up to now, the potential is along the measurement impedance
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poled separate control capacitor C, the partial capacities of the same are graded in such a way that the combination of the control capacitances CS1 '.. Csi and the stray capacitances to earth Ce ... Cei according to the equivalent circuit diagram Fig. 2 produces an approximate linear voltage distribution across the control capacitances Cs and thus also results along the divider impedance J surrounded by these.
The diameter of these ring-shaped control electrodes must be several times larger than the diameter of the actual measuring impedance. The coupling capacitances between the rings and the measurement impedance are then so small that the interference voltages transmitted from the control rings to the measurement impedance remain small even with certain deviations from the uniform potential control.
This makes it possible to select the control capacitance to be very small, with deliberately glimmering phenomena, the influence of stray capacitances of different sizes, scatter in the arrangement of control and measuring elements and other effects caused deviations from the linear voltage distribution along the control capacitor can be allowed because they are due to the special arrangement only lead to relatively minor influences on the divider current. In the extreme case it is even possible to make the earth-side partial capacitance C si of the control capacitor disappear and to set Ce 0 in the equivalent circuit diagram in FIG. The stray capacitance Cel of the lowest potential control ring then alone forms the lowest capacitance of the potential control.
Since the individual potential control rings shield each other from the outside in the manner of bundle conductors, it is also easily possible to dimension the rings in such a way that no glimmering occurs on the outside of the rings even with very high voltages and thus the control even with high voltages without Falsification remains.
As the high voltage potential increases, the potential control rings can be arranged one after the other at ever shorter intervals, whereby better and better mutual shielding is achieved according to the principle of bundle conductors with the same design of the rings. This makes it possible to coordinate the surface field strengths at the control electrodes and the security against the occurrence of glowing phenomena in a simple manner.
PATENT CLAIMS:
1. Low-capacitance voltage divider for highest voltages, in which the potential is controlled by ring-shaped electrodes concentrically surrounding the measuring impedance, which are polarized with separate control capacitors arranged between them, characterized in that the diameter of the ring-shaped control electrodes (B) is controlled by is several times larger than the diameter of the actual measuring impedance (A) and the capacitances of the control capacitors (C) are chosen so that the
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Cgj) results in a linear voltage distribution over the control capacitors and thus also along the divider impedance (J) surrounded by them.