Elektrischer Apparat mit einer Einrichtung zur Dämpfung von Oberschwingungen in der Spannungakurve""eines Stromkreises. Die in mehrstufigen Stossgeneratoren nach der Margschen Schaltung erzeugten Stosswellen hoher Spannung besitzen mehr oder weniger starke Oberschwingungen, namentlich während der Frontdauer der Welle.
Stark mit Oberschwingungen behaf tete Gleichspannungsstösse haben grossen Ein fluss auf Überschlags- bezw. Durchschlags spannungen .des Prüfobjektes. Bei Messung der Spannung mittels Kugelfunkenstrecke, die bei genügend kleinem Zeitverzug des Überschlages (erreichbar durch frisches Po lieren der Kugeloberflächen und eventuelle Bestrahlung mit kurzwelligem Licht) norma lerweise auf den höchsten Scheitelwert .der Spannungskurve anspricht,
wird -der Wert Stossspannungs- plus Oberschwingungsampli- tude gemessen, statt des Scheitelwertes. der Grundwelle.
Erfolgt nun nicht gleichzeitig mit der Spannungsmessung eine Aufnahme der Kurve mit dem Kathodenstrahloszillo- graph, so ergibt sich aus der Messung an der Kugelfunkenstrecke eine höhere Stossspan nung, als dem Scheitelwert der Grundwelle entspricht.
Aus diesen Gründen ist in den Vorschriften des VDE "Über die Erzeugung von hohen Stossspannungen" eine Bestimmung enthalten, wonach die Amplitude der Ober- sehwingungswelle nicht .grösser als 5 % des Scheitelwertes der Grundwelle sein darf.
Die Ursache der Entstehung dieser Ober schwingungen ist folgende: Ein mehrstufiger Stossspannungsgenerator nach Margsüher Schaltung besteht im wesentlichen aus einer Anzahl Kondensatoren, die in Parallelschal tung aufgeladen werden und sich in Serie schaltung. über Funkenstrecken entladen. Bei dem Inseriegehen der einzelnen Stufen wird ihr Anfangs: auf ein Endpotential gehoben.
Hierbei werden die Streukapazitäten der Stufen gegen Erde und gegeneinander, die meist um mehrere Grössenordnungen kleiner sind als die betreffenden Stosskapazitäten zu meist in periodisch gedämpften Schwingun gen aufgeladen, da die in Reihe mit den Funkenstrecken liegenden Dämpfungswider- s:tände, deren Grösse durch Belastungskapa- zität und Frontdauer der Welle gegeben ist, nur ein aperiodisches Schwingen des Haupt kreises bei der kürzestengewünsühten Front dauer gewährleisten müssen.
Für Kreise mit konzentrierten Grundelementen gilt für den aperiodischen Grenzwert des Dämpfungs- widerstandes:
EMI0001.0062
Die grösste -Oberschwingungsdämpfung wird dadurch erreicht, dass jeder Stufe ein Teil des Gesamtdämpfungswiderstandes zu geteilt wird.
Der auf eine Stufe entfallende 'feil des Widerstandes genügt aber im allge meinen nicht, um ein aperiodisches Aufladen der Streukapazität der betreffenden Stufe zu gewährleisten, wie folgende Grössenordnuilgs= betrachtung erläutert:
Lässt mann die Streukapazität zunächst ausserhalb der Betrachtung, so ergibt sich beispielsweise bei einer Stosskapazität von '70 000 pF und einer Induktivität von 2,6 ,uH pro Stufe als aperiodischer Grenzwiderstand R.ph = 12 Q. Damit nun aber die Streu kapazität, die im vorliegenden Fall 80 pF betragen möge, schwingungsfrei aufgeladen wird,
ist ein 30mal grösserer Widerstand R@po = 360 S2 erforderlich.
Die Oberschwingungsamplitude wird im Verhältnis zum Scheitelwert der Grundwelle um so grösser, je kleiner die Belastungs- und Stosskapazität im Verhältnis zur Streukapa zität ist. Dies ist im allgemeinen der Fall, je höher die Spannung der Anlage ist.
Zur Verkleinerung der Oberschwingungen im äusseren Stosskreis hat mann bereits vorge schlagen, in die den inneren Generatorteil abgrenzenden Funkenstrecken eine Zeitver zögerung einzubringen, z. B. in Form einer Funkenstrecke mit inhomogenem Feld (Spit zen- oder Nadelfunkenstrecke), so dass die Obersehwingungen schon erheblich abklingen, bevor der äussere Stosskreis mit der Belastung angeschaltet wird. Da der Zeitverzug einer solchen Funkenstrecke mit irrhomogenem Feld eine starke Streuung aufweist, ist die Oberschwingungsamplitude nicht bei allen Stosswellen gleich stark gedämpft.
Man hat ferner angegeben, den Zeitverzug durch Fun kenstrecken mit homogenem Feld (Kugel funkenstrecken), also normalen Schaltfunken strecken dadurch zu erreichen, dass mann die Reihenfolge des Durchzündens der einzelnen Stufen zeitlich genau staffelt, und zwar so, dass die Stufe auf Erdpotential zuerst zündet, dann die nächst höhere, und so weiter bis schliesslich die höchste Stufe angeschaltet wird, worauf beim Ansprechen der :den Ge nerator abgrenzenden letzten Funkenstrecke das Höchstpotential an den Belastungskreis angelegt wird.
Dies ergibt sich, wenn mann der untersten Stufe die kleinste und jeder folgenden höheren Stufe eine etwas grössere Schlagweite der Schaltfunkenstrecken zu ordnet.
Gegenstand der Erfindung ist nun ein elektrischer Apparat mit einer Einrichtung zur Dämpfung von Oberschwingungen in der Spannungskurve eines Stromkreises, bei wel chem erfindungsgemäss die Einrichtung aus einem Widerstand besteht, der aus elektrisch parallel geschalteten Leitern unterschied lichen Leitwertes zusammengesetzt ist, der in dem Stromkreis eingeschaltet ist, in dem eine Grundschwingung wenig, die Oberwellen da gegen stark gedämpft werden sollen, wobei diese unterschiedliche Dämpfung durch die bei wachsender Frequenz infolge Skineffektes erfolgende Zunahme :des Widerstandswertes erzielt wird.
Der Widerstand besteht aus zwei oder mehreren parallel geschalteten Leitern aus Stoffen mit unterschiedlichem spezifischem Widerstand, die einander umhüllen können.
Beispielsweise kann der Widerstand bei kleinen Widerstandswerten aus einem Draht als Seele und einem Überzug aus einem an dern Metall bestehen, wobei Seele und Über zug verschiedenen Leitwert besitzen. Es können auch hochohmige Widerstände ver wendet werden, :die aus Schichten von gra- phithaltigen oder silitähnlichen Stoffen mit unterschiedlichem Leitwert aufgebaut sind. Gegebenenfalls können auch Flüssigkeiten für den Widerstand verwendet werden. Die einzelnen Leiter können dabei nur an ihren Enden elektrisch verbunden sein oder auf ihrer ganzen Länge in Kontaktberührung stehen.
Widerstände dieser Art besitzen die Eigenschaft, dass in Abhängigkeit von der Frequenz der Oberschwingung der Spannung zufolge des bekannten Skineffektes eine Än derung des Gesamtwiderstandswertes eintritt. Dies erklärt sich daraus, dass die im Wider stand vorhandenen parallelen Stromfäden von Magnetfeldern umgeben .sind, die nach dem Lenzschen Gesetz Ströme erzeugen, welche an der Oberfläche des Widerstandes den ur sprünglichen Stromfäden gleichgerichtet, in seinem Innern aber ihnen entgegengesetzt ge richtet sind, so da.ss der resultierende Strom an der Oberfläche am grössten ist und nach innen abnimmt.
Je nach Wahl des spezifi- sehen Widerstandes der verwendeten Mate rialien sowie deren Schichtdicke lässt sieh für den jeweiligen Verwendungszweck ein ge eigneter Frequenzgang erreichen.
Bei einer Stosswelle von einer Mikro sekunde Frontdauer gemäss dem früher be handelten Beispiel und einem Dämpfungs- widerstand pro Stufe von R = 95 d2 beträgt die Frequenz der Oberschwingung:
EMI0003.0006
worin
EMI0003.0007
1s und wobei co die Kreisfrequenz der gedämpf ten Schwingung, a), die Kreisfrequenz der ungedämpften Schwingung, sowie ss die Dämpfungskonstante bezeichnet.
Widerstände dieser Art sind nicht auf die Anwendung für die als Beispiel angeführten Stossgeneratoren beschränkt, um die Ruf ladung der vorhandenen Streukapazitäten aperiodisch bezw. hyperaperiodisch, also schwingungsfrei herbeizuführen, sondern sie sind in vielen Fällen mit Vorteil anwendbar. Beispielsweise in der Hochspannungstechnik da, wo im allgemeinen aus spannungstechni schen Gründen die Anwendung von Sperr kreisen oder Tiefpassfiltern ausgeschlossen ist.
Hochgespannte Wechselspannung wird üblicherweise mit einem Scheitelwert-Mess- instrument, also zum Beispiel der Kugelfun kenstrecke, gemessen, während die Angabe der Spannung in Effektivwerten erfolgt.
Diese errechnet man aus dem Scheitelwert durch Division mit @/2. Eine solche Rechnung setzt aber gut sinusförmigen Verlauf der betreffenden Spannungskurve voraus, was bei sehr hohen Spannungen nur bei.grössten Einheiten zutrifft, während normalerweise der Kurvenverlauf durch die während jeder Periode nach Überschreiten der Anfangsspan nung schlagartig einsetzende Koronaentla- dung.durch Oberschwingungen stark verzerrt wird.
Weiter werden zufolge der überwiegend kapazitiven Last von Hochspannungstrans formatoren die generatorseitigen Oberschwin gungen stark vergrössert auf die Oberspan nungsseite übersetzt. Die Oberwellen, die normalerweise Frequenzen von grössenord nungsmässig l03-104 Hz haben, also sich von der Grundfrequenz um mehrere Grössen ordnungen unterscheiden, können durch die beschriebenen Widerstände in sorgfältiger iWeise von der Scheitelwertmesseinrichtung ferngehalten werden.
Weiter eignen sich auch die Widerstände zum Schutz von Hochspannungsgeräten vor Wanderwellen und hochfrequenten Schwin gungen, zum Beispiel als Schutzwiderstand zwischen Prüftransformator und Prüfobjekt. Erfolgt ein Über- bezw. Durchschlag des letztgenannten, so bricht an diesem innerhalb sehr kurzer Zeit die Spannung zusammen; dieser Spannungszusammenbruch erzeugt eine über den Schutzwiderstand gegen den Trans formator laufende Wanderwelle meist grosser Stirnsteilheit, die Anlass zu Durchschlägen der Eingangswindungen zur Folge haben kann.
Eine Sperrung dieser Wanderwelle durch Zwischenschaltung einer Drosselspule ist im allgemeinen erfolglos, da so rasch ver änderliche Vorgänge fast rein kapazitiv, also durch die Windungskapazität der Drossel spule übertragen werden.
Oft ist auch selbst in Niederspannungs kreisen eine Anwendung von Induktivitäten zu Sperrzwecken infolge von Resonanz erscheinungen nicht möglich. Auch in diesen Fällen sind Widerstände der beschriebenen Art mit Vorteil verwendbar.
Anstatt die den Widerstand bildenden Leiter mit unterschiedlichem Leitwert so zu gruppieren, dass sie einander umhüllen, kön nen die Leiter auch abwechselnd neben- oder übereinander gestapelt sein. Es können auch mehrere solcher Stapel aus Leitern mit unter schiedlichem Leitwert zu einem Widerstands körper beliebigen Querschnittes gruppiert sein.