Einrichtung zur Messung son Hoe, hspannungsstössen mittels Ohmschem Spannungsteiler
Es ist bekannt, hohe elektrische Spannungen auf die Weise auszumessen, dass mittels eines Spannungsteilers ein genau bestimmbarer Bruchteil derselben abgeteilt und ausgemessen wird. Gebrauchlich sind Ohmsche und kapazitive Spannungsteiler. Ohmsche Teiler sind grundsätzlich für absolute Spannungsmessung besser geeignet, weil das tber- setzungsverhältnis aus der Widerstandsmessung sehr genau bestimmt werden kann. Dies ist aber nur so lange richtig, als die kapazitiven Streustrome die Messung nicht fäl- schen.
Diese Schwierigkeit wächst mit zunehmender Hohe und Frequenz zu messender Wechselspannungen oder Stossspannungen, weil damit die Grösse der Streukapazitäten und die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit der Spannung (mit) zunimmt. Bei Stoss- spannungsteilern für 1 Million Volt zum Beispiel können die kapazitiven Streuströme vor übergehend die Ohmschen Ströme an Grösse erreichen oder sogar übertreffen.
Kapazitive Spannungsteiler, insbesondere solche in atmosphärischer Luft, haben den Nachteil, bei hohen Spannungen ausserordent- lich viel Platz zu beanspruchen. Bereits die kleine Kapazität einer Kugel-Messfunken- strecke benötigt einen Raum, der in vielen Laboratorien nicht verfügbar ist. Ferner haben Glimmerscheinungen und Nachbarobjekte oft Fehler im Ubersetzumgsverhältnis zur Folge.
Um die kapazitiven Streuströme eines Ohmschen Spannungsteilers vom Messwider- stand fernzuhalten, wurde schon versucht, diesen innert eines Kranzes um ihn herum angeordneter Schirmwiderstände, oder innert eines mit Widerstandsdraht bewickelten Zylinders anzuordnen. Diese Methode hat nur bei Niederfrequenz Erfolg, weil nur dann der kapazitive Streustrom des Schirmwiderstandes gegen dessen Ohmschen Strom vernaehlässigt werden kann. Für Hochfrequenz- und Stossmessungen muss ausserdem die Längenausdehnung des Widerstandsdrahtes klein sein, um als punktförmig gelten zu können.
Selbst bei entsprechend gebauten Schirmwiderständen benötigt die Aufladung der Streukapazitäten über Teile des Schirmwiderstandes eine gewisse Zeit (Zeitkonstante des Widerstandes), innerhalb welcher das Teilverhältnis des derart unvollkommen ge schirmten Messwiderstandes nicht richtig sein kann. Damit die Spannungsteilung auch für rasche Spannungsänderung richtig hleibt, müsste der Schirmwiderstand tiefere Werte aufweisen. als jene, die aus Gründen der Verwendung in Stossanlagen noch zulässig sind.
Die Aufteilung eines gegebenen, tiefstzulässigen Widerstandes in zwei parallele Teile, von denen somit jeder höheren Einzelwiderstand aufweisen muss, hat lediglich eine unerwiinschte Vergrösserung der Zeitkonstanten jedes Widerstandes (Fehlerzeitkonstante) zur Folge.
Vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von Hochspannungs- stössen mittels Ohmschem Spannungsteiler, die dadurch gekennzeichnet ist, dass parallel zum Teiler oder zu Teilen desselben Kondensatoren in Serie geschaltet sind, welche für sich längs des Widerstandes den gleichen Verlauf des elektrischen Feldes erzeugen wie der von Gleichstrom durchflossene Widerstand allein, und welche diese Spannungsver- teilung längs des Widerstandes rascher zu erzeugen vermögen, als der Widerstand allein ohne Zusatzkondensatoren es tun könnte, so dass die Ohmsche Spannungsverteilung jederzeit, auch bei raschesten Spannungsänderun- gen besteht.
Der Erfindungsgedanke sei zunächst an den beiden Fig. 1 und 2 erklärt. In Fig. 1 ist ein Ohmseher Widerstand R mit seinen mvermeidlichen Längs-und Querkapazitäten (Erdkapazitäten) C und Ce dargestellt. Es ist bekannt, dass sich die Spannung beim plötz- lichen Anlegen einer Hochspannung IT an den Gesamtwiderstand im ersten Moment so verteilt, wie wenn nur die Kapazitäten vorhanden wären, das heisst nach der Kurve u, die mathematisch durch eine hyperbolische Sinusfunktion ausgedrückt wird. Ihre Krüm- mung hängt nur vom Verhältnis der Kapazi- tätenCi'Ce ab.
Die Abweichung von der Geraden ist um so grösser, je grösser Ce und je kleiner C ist. Erst infolge der anschliessenden weiteren Aufladung der Kapazitäten Ce über Teile des Widerstandes R bildet sich die lineare Spannungsverteilung 1 über den Widerstand, wie sie dem gleichstromdurchflossenen Widerstand entspricht. Diese Aufladung erfolgt in erster Näherung mit einer Zeitkonstanten, die sich darstellt als
T = J R Cet wo Cet die totale Erdkapazität des Widerstandes bedeutet.
Bei den üblichen Messwider- ständen für Stossanlagen fällt diese Zeitkonstante in die Grössenordnung 10-7s. Vor Ablauf dieser Zeit ist die Spannungsverteilung nicht linear, der Strom am untern Ende des Widerstandes noch kleiner als UtR. Das heisst, die Teilung misst rasche Spannungs änderungen nur zum Teil ; rasche Variationen werden zu langsam angezeigt.
Fig. 2 zeigt, wie die künstliche Vergrö- sserung der Längskapazitäten C gegenüber den Erdkapazitäten Ce die Anfangsspan- nungsverteilung längs des Widerstandes beim plötzlichen Anlegen einer Hochspannung U verbessert. Die Krümmung der Kurve u kann durch Vergrössern von C/Ce der geraden Linie 1 beliebig genähert werden, welche den Endzustand (Gleichstromfeld) darstellt. Wenn aber diese Endspannungsverteilung schon im Moment t = o des plötzlichen Spannungsanlegens sich einstellt, so fällt jeder Spannungsausgleichsvorgang im Messwiderstand R dahin.
Sofern dieser Widerstand selber absolut induktionsfrei ist, führt er dann bereits zur Zeit t = o den gewünschten Ohmsehen Strom U/R.
Die nachstehenden Figuren zeigen die Anwendung der erwähnten Erscheinungen auf einen verbesserten Spannungsteiler, der aus einer Serieschaltung eines Hochspan- nungswiderstandes R und eines Niederspannungswiderstandes r besteht, durch den von der Hochspannung Zr ein Bruchteil u abgegriffen wird. Dieser Bruchteil tb wird mit irgend einem Voltmeter gemessen, zum Beispiel einem Oszillographen oder einer Funkenstrecke.
Während der Widerstand R nur sehr wenig Längskapazität aufweist, wird wie in Fig. 2 durch zusätzliche Kondensatoren C dafür gesorgt, dass sich die Längs- spannungsverteilung über R bei rascher Än- derung von U beliebig gut der Geraden nähert, oder genauer gesagt, jener Span nungsverteilung, welche dem gleichstrom- durchflossenen Widerstand-R zukommt.
Fig. 3 zeigt eine Ausführung, bei der sich der Widerstand innerhalb, die spannungssteuernden Kondensatoren ausserhalb eines zylindrischen Isolierrohres befinden.
Ein konzentrisches, weiteres Isolierrohr bildet mit dem ersteren zusammen ein rohrförmiges Isoliergefäss, das zur Aufnahme der Kondensatoren und eventuell von Isolieröl dient.
Durch Vergrösserung und passende Anordnung der Anzahl Kondensatoren C lässt sich das Längsfeld derselben beliebig fein an die Gleichstrom-Feldverteilung des Widerstandes R angleichen. Die unendlich feine Unterteilung der Kondensatoren C ist dabei nicht erforderlich, da ein treppenförmiger Verlauf der Kondensatorfeldverteilung Mc die mittlere, mehr oder weniger stetige Spannungsverteilung des Widerstandes gR ohne Nachteil ersetzen kann, wie Fig. 4 zeigt. Der Strom im induktionsfreien Widerstand R wird auch in diesem Fall sofort den Ohmschen Betrag erreichen, der Niederspannungs- widerstand r somit sofort die richtige Teilspannung aufweisen.
Als induktionsfreie Widerstände-R eignen sich bifilare Drahtwiderstände, kurze Metallwiderstände aus Silizium oder Zirkon, oder auch solche aus Elektrolyten (Salzlösung, Salzsäure, Mannitlösung).
Wie die Unterteilung der Kondensatoren C erreicht wird, spielt dabei keine Rolle. Sie kann so geschehen, dass eine grosse Anzahl von einzelnen Kondensatorwickeln im gezeichneten rohrformigen Gefäss so angeordnet werden, dass die gewünschte mittlere Längsspannungsverteilung entsteht. Oder es kann im rohrförmigen Raum eine Menge kapazitiv seriegeschalteter leitender Einlagen eingewickelt werden, durch deren Dimensionierung die richtige Spannungsverteilung am innern Isolierrohr entsteht, in dem sich der gesteuerte Messwiderstand befindet. Da die Kondensatorstrome in diesem Eohlraum keinerlei magnetischen Fluss zu erzeugen vermögen, sind auch keine Messfehler durch magnetische Induktion möglich.
Sofern die Spannungsverteilung längs der seriegeschalteten Steuerkondensatoren C absolut dieselbe ist wie jene längs des Mess- widerstandes R, so dürfen zwischen beiden Äquipotentialverbindungen angebracht werden, ohne dass dadurch Ströme oder Spannun- gen geändert werden. Dies ist in Fig. 5 angedeutet, in der der den Bruchteil des Widerstandes R bedeutet, der jedem einzelnen Kon- densator C zugeordnet ist. Die genaue Übereinstimmung beider Längsspannungsvertei- lungen von C und R kann durch Abstimmung geschehen, indem zum Beispiel das Produkt C.
JR durchwegs gleich gemacht wird. Zusammengehörende Werte R und C lassen sich derart zu Gliedern des Teilers zusammenbauen. In Fig. 5 ist zugleich die Verwendung eines bei oszillographischen Messungen üblichen Messkabels mit dem Wellenwiderstand Z angedeutet, das an seinem Ende mit einem Ohmschen Widerstand = Z abgeglichen ist. Dadurch wirkt das Messkabel in der Spannungsteilung zu jedem Zeitpunkt wie ein Ohmscher Widerstand vom Betrag Z. Im letzten Glied des Teilers kann der Widerstand JR'einfach isoliert ausgeführt sein (Fig. 5), oder er kann eine besondere Anzapfung r'zum Anschluss des Messkabels aufweisen (Fig. 5a).
Der resul tierende Widerstand des letzten Gliedes soll dem Widerstand der übrigen Glieder JR gleichkommen.
Fig. 6 zeigt eine weniger vollkommene Anordnung des kapazitiv geschirmten, Ohmschen Spannungsteilers, bei welcher der Mess- widerstand R auf der äussern Oberfläche der Kondensatoren C angebracht ist. Imj Gegensatz zu den Anordnungen der Fig. 3 und 5 ist hier der Messwiderstand äussern Feldhern ausgesetzt.
Trotzdem wird wegen der Kon- densatoren C die Gleichstromspannungsver- teilung längs R rascher erreicht, weil der Widerstand P über die natürlichen Kapazitäten Cg eng mit den Kondensatoren C gekoppelt ist, oder analog der Fig. 5 durch Äquipotentialverbindungen mit jenen verbun- demverclen kann, wodurch sieh die Feldver- teilung längs C trotz der Erdkapazitäten Ce auf den Widerstand 2 ? überträgt. Entschei- dend bleibt wie in Fig. 2 das Verhältnis C/Ce der Anordnung.
Fig. 7 gibt ein weiteres Beispiel, bei dem die Kondensatoren C als vier Säulen um den Widerstand R herum angeordnet sind. Die Abschirmung äusserer Felder ist hier besser als in Fig. 6. aber weniger vollkommen als in Fig. 3 und 5. Als noch weniger vollkommener Grenzfall kann eine einzige Säule von Kondensatoren C zur Ausführung kommen, wobei dann Widerstand R und Kapazität C einfach nah nebeneinander sich befinden.
Fig. 8 zeigt eine Möglichkeit, äussere elek- trische Felder mittels von den Kondensatoren C gespeister Aquipotentialringe G abzufangen. Derart lassen sich ähnlich vollkommene Anordnungen erreichen wie in den Fig. 3 und 5. Auch hier sind Querverbindungen zwischen R und C bei vollkommen gleicher Längsspannungsverteilung zulässig. bei nicht genauer tTbereinstimmung werden sie besser weggelassen.
Bei der Verwendung der beschriebenen Spannungsteiler in elektrischen Stossanlagen können die Werte R und C den Anforderungen der Stosskreise angepasst werden. Fig. 9 gibt ein Beispiel, in dem der Widerstand R als Entladewiderstand der Stossanlage bemessen ist, und wobei die aus allen Konden- satoren C resultierende Kapazität so gross ist, dass sie als Belastungskapazität der Stoss- anlage wirkt. In der Fig. 9 stellt St den Stossgenerator in Marxschaltung dar, Rd den Dämpfungswiderstand, und F die Stoss- funkenstrecke des Kreises.
Beim langsamen Aufladen des Stossgenerators spricht F an, und es wird die aus den Kondensatoren C resultierende Belastungskapazität CB über Rd mit einer Zeitkonstante TF geladen, wobei angenähert gilt : TF = Rd. CB.
Anschliessend an diese Aufladung entlädt sich die gesamte Anordnung über den Entladewiderstand R, zum Teil auch über Rd, mit einer Zeitkonstanten, die sich im wesentlichen aus Te = C,/-R + d) ergibt. Beide Zeitkonstanten TF und Te können somit durch entsprechende Werte von CB und Re auf die ge wünschten Grossen eingestellt werden, welche durch die internationalen Bestimmungen über Stossversuche gefordert werden.
Die Grösse und Dauer der am Prüfobjekt P vorhandenen Spannung wird dadurch festgehalten, dass der Kathodenstrahloszillograph KO einen lileinen Bruchteil dieser Spannung aufzeichnet, wobei der Spannungsteiler (R-r-z) dafür sorgt, dass zwischen der Spannung am Prüfobjekt P und derjenigen am KO ein ganz bestimmtes Teilverhältnis auch dann besteht, wenn sich diese Spannungen ausserordentlich rasch, das heisst mit der Grossenordnung einiger 1000 kV/, us ändern.
Device for measuring such high voltage surges using an ohmic voltage divider
It is known to measure high electrical voltages in such a way that a precisely determinable fraction thereof is divided and measured by means of a voltage divider. Resistive and capacitive voltage dividers are useful. Ohmic dividers are generally better suited for absolute voltage measurement because the transmission ratio can be determined very precisely from the resistance measurement. However, this is only correct as long as the capacitive stray currents do not falsify the measurement.
This difficulty increases with the increasing high and frequency of the alternating voltages or surge voltages to be measured, because this increases the size of the stray capacitances and the rate of change of the voltage over time. With surge voltage dividers for 1 million volts, for example, the capacitive stray currents can temporarily reach or even exceed the ohmic currents.
Capacitive voltage dividers, especially those in atmospheric air, have the disadvantage that they take up an extremely large amount of space at high voltages. Even the small capacitance of a spherical spark gap requires a space that is not available in many laboratories. Furthermore, glowing phenomena and neighboring objects often result in errors in the translation ratio.
In order to keep the capacitive stray currents of an ohmic voltage divider away from the measuring resistor, attempts have already been made to arrange this within a ring of shielding resistors arranged around it, or within a cylinder wrapped with resistance wire. This method is only successful at low frequencies, because only then can the capacitive stray current of the shield resistance be negated against its ohmic current. For high-frequency and shock measurements, the linear expansion of the resistance wire must also be small in order to be considered point-shaped.
Even with appropriately constructed shield resistors, the charging of the stray capacitances across parts of the shield resistor requires a certain time (time constant of the resistance) within which the partial ratio of the measuring resistor, which is so imperfectly shielded, cannot be correct. In order for the voltage division to remain correct even for rapid voltage changes, the shield resistance would have to have lower values. than those that are still permissible for reasons of use in shock systems.
The division of a given, lowest permissible resistance into two parallel parts, each of which must therefore have a higher individual resistance, only results in an undesired increase in the time constants of each resistance (error time constant).
The present invention relates to a device for measuring high-voltage surges by means of an ohmic voltage divider, which is characterized in that capacitors are connected in series parallel to the divider or to parts of the same, which for themselves along the resistor generate the same course of the electrical field as that of Direct current flowing through resistors alone, and which are able to generate this voltage distribution along the resistor more quickly than the resistor alone could do without additional capacitors, so that the ohmic voltage distribution exists at all times, even with the fastest voltage changes.
The idea of the invention will first be explained using the two FIGS. 1 and 2. 1 shows an ohmic resistor R with its mavoidable longitudinal and transverse capacitances (earth capacitances) C and Ce. It is known that when a high voltage IT is suddenly applied to the total resistance, the voltage is initially distributed as if only the capacities were present, that is, according to the curve u, which is expressed mathematically by a hyperbolic sine function. Their curvature depends only on the ratio of the capacities Ci'Ce.
The larger Ce and the smaller C, the greater the deviation from the straight line. Only as a result of the subsequent further charging of the capacitances Ce over parts of the resistor R does the linear voltage distribution 1 form over the resistor, as it corresponds to the resistor through which direct current flows. As a first approximation, this charging takes place with a time constant, which is represented as
T = J R Cet where Cet means the total earth capacitance of the resistance.
With the usual measuring resistors for shock systems, this time constant falls in the order of 10-7s. Before this time has elapsed, the voltage distribution is not linear, the current at the lower end of the resistor is still smaller than UtR. This means that the graduation only partially measures rapid voltage changes; rapid variations are displayed too slowly.
2 shows how the artificial enlargement of the series capacitances C compared to the earth capacitances Ce improves the initial voltage distribution along the resistor when a high voltage U is suddenly applied. The curvature of curve u can be approximated as desired by increasing C / Ce of straight line 1, which represents the final state (direct current field). If, however, this final voltage distribution occurs at the moment t = 0 of the sudden application of voltage, then any voltage equalization process in the measuring resistor R ceases.
If this resistor itself is absolutely induction-free, it already carries the desired ohmic current U / R at time t = o.
The following figures show the application of the phenomena mentioned to an improved voltage divider, which consists of a series connection of a high-voltage resistor R and a low-voltage resistor r, through which a fraction u of the high voltage Zr is tapped. This fraction tb is measured with any kind of voltmeter, for example an oscilloscope or a spark gap.
While the resistor R has very little series capacitance, as in FIG. 2, additional capacitors C ensure that the series voltage distribution over R approaches the straight line as well as U changes when U changes rapidly, or more precisely, that span voltage distribution, which is attributable to the resistor-R through which direct current flows.
Fig. 3 shows an embodiment in which the resistor is inside, the voltage-controlling capacitors outside of a cylindrical insulating tube.
A concentric, further insulating tube together with the former forms a tubular insulating vessel, which is used to hold the capacitors and possibly insulating oil.
By increasing the number of capacitors C and arranging them appropriately, the longitudinal field of the same can be matched to the DC field distribution of the resistor R as finely as desired. The infinitely fine subdivision of the capacitors C is not necessary because a stepped course of the capacitor field distribution Mc can replace the mean, more or less constant voltage distribution of the resistor gR without disadvantage, as FIG. 4 shows. In this case, too, the current in the induction-free resistor R will immediately reach the ohmic value, and the low-voltage resistor r will thus immediately have the correct partial voltage.
Bifilar wire resistors, short metal resistors made of silicon or zirconium, or also those made of electrolytes (salt solution, hydrochloric acid, mannitol solution) are suitable as induction-free resistors-R.
How the subdivision of the capacitors C is achieved does not matter. It can be done in such a way that a large number of individual capacitor windings are arranged in the drawn tubular vessel in such a way that the desired mean longitudinal stress distribution is created. Or a number of capacitive, series-connected conductive inserts can be wrapped in the tubular space, the dimensions of which result in the correct voltage distribution on the inner insulating tube in which the controlled measuring resistor is located. Since the capacitor currents are unable to generate any magnetic flux in this cavity, measurement errors due to magnetic induction are also not possible.
If the voltage distribution along the series-connected control capacitors C is absolutely the same as that along the measuring resistor R, equipotential connections may be made between the two without changing currents or voltages. This is indicated in FIG. 5, in which the denotes the fraction of the resistance R that is assigned to each individual capacitor C. The exact correspondence between the two longitudinal voltage distributions of C and R can be achieved by coordination, for example by adding the product C.
JR is made the same throughout. Values R and C that belong together can be combined to form parts of the divider. At the same time, FIG. 5 indicates the use of a measuring cable with the characteristic impedance Z, which is customary in oscillographic measurements and which is balanced at its end with an ohmic resistance = Z. As a result, the measuring cable acts like an ohmic resistance of the magnitude Z in the voltage division at all times. In the last element of the divider, the resistor JR 'can be simply insulated (Fig. 5), or it can have a special tap r' for connecting the measuring cable have (Fig. 5a).
The resulting resistance of the last link should be equal to the resistance of the other links JR.
6 shows a less perfect arrangement of the capacitively shielded, ohmic voltage divider, in which the measuring resistor R is attached to the outer surface of the capacitors C. In contrast to the arrangements of FIGS. 3 and 5, here the measuring resistor is exposed to external fields.
Nevertheless, because of the capacitors C, the direct current voltage distribution along R is achieved more quickly, because the resistor P is closely coupled to the capacitors C via the natural capacitances Cg, or can be connected to them analogously to FIG. 5 by equipotential connections, whereby see the field distribution along C despite the earth capacitance Ce on resistor 2? transmits. As in FIG. 2, the C / Ce ratio of the arrangement remains decisive.
FIG. 7 gives another example in which the capacitors C are arranged around the resistor R as four columns. The shielding of external fields is better here than in FIG. 6, but less perfect than in FIGS. 3 and 5. As an even less perfect borderline case, a single column of capacitors C can be used, with resistor R and capacitance C then simply close to one another to find oneself.
8 shows a possibility of intercepting external electrical fields by means of equipotential rings G fed by the capacitors C. In this way perfect arrangements similar to those in FIGS. 3 and 5 can be achieved. Here, too, cross connections between R and C are permissible with completely the same longitudinal stress distribution. if they do not match exactly, they are better left out.
When using the voltage dividers described in electrical surge systems, the values R and C can be adapted to the requirements of the surge circuits. FIG. 9 gives an example in which the resistance R is dimensioned as the discharge resistance of the impact system, and the capacitance resulting from all capacitors C is so large that it acts as the load capacitance of the impact system. In Fig. 9, St represents the surge generator in Marx circuit, Rd the damping resistance, and F the surge spark path of the circle.
When the surge generator is slowly charged, F responds, and the load capacitance CB resulting from the capacitors C is charged via Rd with a time constant TF, where the following applies approximately: TF = Rd. CB.
Subsequent to this charging, the entire arrangement is discharged via the discharge resistor R, partly also via Rd, with a time constant that essentially results from Te = C, / - R + d). Both time constants TF and Te can thus be set to the desired values by means of corresponding values of CB and Re, which are required by the international regulations on impact tests.
The magnitude and duration of the voltage present on the test object P is recorded by the fact that the cathode ray oscilloscope KO records a tiny fraction of this voltage, the voltage divider (Rrz) ensuring that there is a very specific partial ratio between the voltage on the test object P and that on the KO then exists when these voltages change extremely rapidly, that is, with the order of a few 1000 kV / .us.