Anordnung zur Messung von hohen Spannungsimpulsen, insbesondere Stossspannungen, oder hohen Wechselspannungen
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von hohen Sannungsimpulsen, insbesondere Stossspannungen, oder hohen Wechselspannungen mit Hilfe eines aus einer Mehrzahl von Kondensatoren und6 ohmschen Widerstänjdea anfgebauten Spannungstieilers, der einen nahe am niederspannungsseitigen Ende liegenden Abgriff f r die dem MessgerÏt zuzuf hrende niedrige Messspannung aufweist.
Der Spannungsteiler wird zwischen die zu messende Hochspannung und Erde bzw. zwischen das an die Hochspannung angeschlossene Pr fobjekt und Erde gelegt und die niedrige Messspannung wird vom Abgriff des Spannungsteilers, z. B. einem Oszillographen, zugeführt. Die Verbindung zwischen dem niedarspannungsseitigen Ausgang des Spannungsteilers und dem Messgarät erfolgt in der Regel über ein als Koaxialkabel aus gaführtes Masskaibeil, so dass das Messgerät ausserhalb das Gefahranbereiohes dar Hochspannung liegt. Die Spannungsteiler sind entweder ohmsche oder kapazitive Teiler.
Bei allen bisher bakannt gewordenen ohmschen Spannungsteilern-bestehend vornehmlich aus kontinuierlich und induktivitätsarm gewickelten DrahtwiderstÏnden von einer dar zu massanden Spannung emisprechen- den LÏnge - st¯rt vor allem die kontinuierlich am Wider Stand angreifende ErdverkettungskapazitÏt, also das zwischen dem Widerstand und dem Erdpotential sich aufbauende, elektrische Feld. Dadurch werden die hoch frequenten Vorgänge, noch ehe sie den Niedeispan- nungsteil des Widerstandes erreichen, als Verschiebungs- ströme zuf Erde abgaleite) t. Die durch diese Kapazitäten längs des Teilars hervorgerufene Potentialverteilung ist damit nichtlinear und weicht von der ohmschen Span nunjgsvefrteilung ab.
Um diesen schädlichen Einfluiss weitgehend auszuschalten, sind schon verschiedene Massnahmen bekannt gerworden. So hat man auf der Teilerspitze einen grossen metallischen Schirm angeordnet, um das eletktrische Feld länjgs des Teilers zu vergleichmÏssigen und so die Wirksamkeit der Erdverket tungsibapazitäten zu veddteinem. Femeir hat man durch den WiderstÏnden des Spannungsteilers parallel geschaltebe Kondensatoren eine weitgehenide homogene kapa zitive Spannungsteilung lÏngs der WiderstÏnde zu er- zwingen versucht. Diese Anordnung ist unter der Bezeichnung ?gemischter Spannungsteiler? bekannt geworden.
Die parallel geschalteten Kondensatoren k¯nnen in ihrer Grosse entsprechend abgestuft weiden. Es ist auch bekannt, durch eine nichtlineare Aufteilung des Wider Standes die ohmschc Spannungsvorteilung der kapaziti- ven anzugleichen, wobei die kapazitive Spannungsverteilung durch einen kleinen Schirm am Teilerkopf einigermassen unabhÏngig von Umgebungseinfl ssen gemacht wird. Eine Verkleinerung der st¯renden Erdkapazität kann in einfacher Weise auch durch eine Verk leinerung der Bauh¯he des Teilers erzielt werden. In diasem Falle muss der Teiler in hochwertige Isolationsmittel (Druckluft, Stickstoff unter erh¯htem Druck, Íl) eingebaut werden. Auch dieses Verfahren wurde bereits angewandt, f hrt aber dazu, dass der Teiler nur f r sehr kurze Spannungsimpulse (etwa ? 1 ?s) geeignet wird.
Die Ursache liegt darin, dass sich der Eaergieumsatz auf kleinstem Raum zusammenballt und eine unzulÏssig starke Erwärmung des Widerstandsmatarials hervorruft.
Zur Messung von Spannungsimpulsen von < 1, us Länge weaden gelegentlich extrem niederohmige ohmsche Spannungsteiler verwendet, bei denen durch den kleinen Teilerwideistand von 500... 1000 ? der Einfluss der störenden EMikapazijtäten wettgehend verschwindet.
Diese Teilerart ist ebenfalls nur f r die Messung sehr kurzer Spannungsimpulse geeignet, da der kleine Teilerwiderstand die Spannungsquelle sehr stark belastet und nach kurzer Zeit die Impulse verflacht.
Alle bisher bekannten kapazitiven Spannungsteiler lassen sich in zwei Gruppen einteilen : Bei der ersten Gruppe wird die OberspannungskapazitÏt durch zwei Metallelektroden (Kugeln, koaxiale Zylinder) gebildet.
Die NiederspannungskapazitÏt besteht aus entsprechenden Niederspannungskondensatoren. Bei der zweiten Gruppe besteht die OberspannungskapazitÏt aus einer Vielzahl von in Serie geschalteten Einzelkondensatoren, die vornehmlich aus Ílpapierwickeln aufgebaut sind. Die Niederspannungskapazitat wird entsprechend aus geeig- neten Einzelkondensatoren aufgebaut.
Bei allen Kon densatoren dieser Art wird die ¯bertragung sehr hoch frequenter Vorgänge (Frequenz > 1 MHz) ganz ent scheidend durch die stets endliche Induktivität der Kon densatoren gestört, wie eine eingehende theoretische undpraktischeUntersuchunggezeigthaft.DieseStörun- gen lassen sich auch dann nicht beseitigen, wenn der durch die Zuleitungen zum kapazitiven Spannungsteiler gebildete Serienresonanzkreis (InduktivitÏt der Zuleitun gan, Kapazität des Spannungsteilers) durch einen im
Zuge der Zuleitungen eingebauten DÏmpfungswiderstand vollkommen bedampft wird.
So stellen alle bisher bekannten Kons. truktionen von Spannungsteilern entweder Sonderl¯sungen dar, die nur f r Spezialzwecke, nämlich sehr kurze Spannungsimpulse verwendet werden können oder aber die bei sehr hochfrequenten Vorgängen auftretenden physikalischen Erscheinungen nur unbefriedigend beherrschen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Messung von hohen Spannungsimpulsen, insbesondere Stossspannungen oder hohen sonstigen Wechselspannungen mit Hilfe eines Spannungsteilers zu schaffen, bei der die oben geschiltartemNachteilederbekanntenAnord- nungen vermieden'sind und die es insbesondere ermög- licht, einmalig oder nach grossen Pausenzeiten auftretende unipolare Spannungsimpulse zu messen, die unsymme- trisch gegen das Erdpotential auftreten und deren Impulsdauer kleiner bzw. erheblich kleiner als 1 Ás ist, sowie auch Langwellenpr fungen an Pr fobjekten durchzuf hren.
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass Spannungsimpulse mit Hilfe des Fourier-Integrals in kontinuierliche Frequenzspektren zerlegt werden k¯nnen, sich somit aus einer unendlichen Vielzahl von harmonischen Spannungsschwingungen zusammensetzen. Es zeigt sich ganz allgemein, dass ein Zeitimpuls um so h¯here Frequenzanteile enthÏlt, je k rzer die Impulsdauer wird. Eine Messanordnung und insbesondere ein Spannungsteiler muss daher alle harmonischen Span nungsschwingungen ungedämpft und möglichst unverz¯gert bertragen, die im zu messenden Spannungsimpuls enthalten sind.
Im Idealfall m sste somit das Teilerverhältnis des Spannungsteilers unabhängig von der Frequenz sein, oder, mit anderen Worten, die ¯bergangsfunktion eines Spannungsteilers auf eine Schrittfunktion m sste - abgesehen von der durch das Teiler verhältnis verringerten Amplitude-wiederum eine Schrittfunktion sein.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Spannumgsteiilejr aus einer Mehr- zahl von in Serie geschalteten, je aus einem Kondensator und einem mit ihm in Rcihe geschalteten ohmschen Widerstand gebildeten Teilerelementen besteht.
In Fig. 1 ist das Ersatzschaltbild eines Spannungsteilers, wie er bei einer Anordnung gemÏss der Erfindung verwendet wird, beispielsweise dargestellt. Er besteht aus einer Mehrzahl von ohmschen Widerständen und Kondensatoren. Jedes der in Serie geschalteten Teilerelemente wird von einem Widerstand und einem mit ihm in Reihe geschalteten Kondensator gebildet, ,die im Ersatzschaltbild mit R' bzw. C' bezeichnet sind. Das Ersatzschaltbild berücksichtigt alle an einem Täumlich ausgedehnten, weitgehend homogen aufgebauten Spannungsteiler wirksamen Einfl sse. Die eingezeichneten InduktivitÏten, L' k¯nnen den WiderstÏnden R', den Kondensatoren C' und den zur Zusammjensohaltung notwendigen Verbin- dungsleitunfgen anhaften.
Mit Ce'sind die Erdkapazitäten dargestellt und damit das Eigenfeld des Spannungsteilers ber cksichtigt. Wen n die Gesamtzahl der in Serie ge schalteten Teilopelemente ist, ergibt sich der gesamte Teilarwidssrstand zu R = n-R', die gesamte Teiler- induktivitÏt zu L = n.L', die gesamte TeilerkapazitÏt zu C =C'/n und die gesamte ErdkapazitÏt zu Ce = n.Ce' Dar Hochspanmungsimpuls uh (t) soll durch den Teiler in einen nur amplitudenmässig verkleinerten Ausgangs- impuls un (t) umgewandelt werden.
Die physikalische Wirkungsweise'dieses Teilers bei der Übertragung hoher Frequenzen ist soifort erkennbar, wenn die Kapazität C' als leitende Verbindung, also als nicht vorhanden aufgefasst wird, was bei hohen Frequenzen absolut zulÏssig ist. Damit liegt das Ersatzschaltbild eines homogenen, verlustbehafteten Lsitumgsstückes vor, das am Teilerkopf A offen und am Teilerende.E kurzgeschlossen ist.
Triffit nun auf den Punkt A eine plötzliche auf ihren Maximalwert ansteigende Spannung (Schrittspannung), so lÏuft sowohl eine Spannungs- als auch Stromwelle in den Teiler ein, um am Teilerende E mehr oder wenige° reflexionsfrei zur Erde abgef hrt zu werden.
Eine echte und saubere Spannungsteilung wird erreicht, wenn sich die Spannung möglichst kontinuierlich von A aus stetig verkleinert, um schliosslioh am Teiler- ende E auf den Wert Nulle abzusinken. Die eine donartige DÏmpfung hervorrufenden Elemente sind die Widerstände R'. Sind diese WiderstÏnde sehr gross, so wird die einlaufende Spannung bereits unzulässig klein, noch ehe das Teilerende E erreicht wird.
Sind die Widerstände zu klein, so trifft auf das Teilarende E noch ein end- liche° und zu grosser Spannungswert, der reflektiert wird , und, in den Teiler zurücklaufend, am Niederspannungs atbgriff un unenwiinschte Schwingungen erzeugt. Eins sinnvolle Badämpfung dos Teilers wird erreicht, wenn def gesamte Dämpfunsswiderstand (Teilerwiderstand) der Bedingung
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gehorcht.
Weiterhin lässt sich nachweisen, dass die an un erscheinende ¯bergangsfunktion um so rascher ansteigt (und damit die übertragbare Grenzfrequenz um so h¯her wird), jeldeiner die Laufzait LCe des Teilers ist.
Eine kleine Laufzeit des Teilers lÏsst sich aber entweder durch eine kleinere ErdkapazitÏt Ce oder durch eine jdaine Induktivität L erreichen - stets vorausgesetzt, dass der kleinstmögliche zur Dämpfung des Teilers not- wendige Gesamtwiderstand R gemÏss obiger Gleichung eingeschaltet wird. Eine Verkleinerung der ErdkapazitÏt ist, unabhÏngig von den dadurch bedingten, komplizier 4en Konstruktionen,'aber deshalb nicht sinnvoll, weil dadurch der notwendige Gesamtwiderstand erh¯ht werden muss. Eine kleine Induktivität L kann hingegen bei Verwendung induktiomsarmer Kondensatoren C'und WiderstÏnde R' leicht erreicht werden.
Mit dieser Teilerart kann somit die physikalische Grenze jeder Spannungsteilung mit einem rÏumlich ausgedehnten Gebilde dann erreicht werden, wenn die Laufzeit ?LCe so gross wird, dass sie der Lichtgeschwindigkeit als Grenzwert f r die Ausbreitungsgeschwindigkeit aller elektromagnetischen VorgÏnge entspricht. Als Gronzwart der Induktivität L'ergibt sich physikalisch der Wert des gestreckten Teilers, der mit ca. 1 ?H pro Meter TeilerÏnge erreicht wird.
Die Serienschaltung der Kapazitäten C'beeinträch- tigtaNegeschildertenelektromagnetischenVorgangs in keiner Weise. Diese Serienschaltung ist aber wesentlich für eme praktische und universelle Anwendung des Spanwngsteilers. Bei langsameren und damit niederfre- quemttaren MeEsspannumgssn erhöht sich der Gesamt- widaratand das Teilers wesentlich und kann in erstr Annäherung aus R + 1/jwC) berechnet werden.
Mit der zunehmenden Hochohmi. gkeit verringern sich alle Rück- wirkunigan auf die vorhandenen Spannungsquellen. Sehr waaentlich wird dadurch auch der Energieumsatz in den Widerständen R'im VergLeich zu einem rein ohmschen Teiler mit dem Gesiamtwiderstand R reduziert, da nur bei Spannmigsänderungen dar Teiler von Str¯me n. durchflossen wird.
Dve vieMältige Serienschaltung von Widerständen und Kondensiatoren bis zum Niederspannungsabgriff ist fur das einwandfreie Arbeiten des Teilers wesentlich, wobei aber anderseits auch keine bertrieben grosse Unterteilung vorgenommen werden muss. Da die Grenzfrequenz fb des Teilers etwa dann erreicht ist, wenn die WellenlÏnge ?b der doppelten TeilerlÏnge entspricht (?b fb = c; c = Lichtgeschwindigkeit), kann die physikalische ¯bertragungsggenze auch durch die Antennenwirkung des Teilers erklÏrt werden : Die hohen Frequen- zen wardan als elektromagnetische Wellen vom Teiler abgestrahlt. Es gen gt daher auch, wenn ein einzelnes R'C'-Glied des Teilers eine LÏngenabmessung besitzt, die etwa ist.
Daraus resultieren mindestens 5 Unterteilungen. Aber auch mit noch weniger Unterteilungen können schon bessere Ergebnisse erzielt werden als mit der Serienschaltung nur eines Widerstandes und eines Kondensators, die an sich bereits bekannt ist, jedoch aus gÏnzlich anderen Gr nden angewendet wurde.
Ein mit einem derartigen Spannungsteiler aufzubauendes Beispiel einer Stossspannungsmessanordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Der zwischen den Punkten 1 und 2 zu messende Hochspannungsimpuls uh (t) wird in bekannter Weise ber eine m¯glichst kurze Zuleitung L und die erdseitige Verbindung zwischen 2 und E dem eigentlichen Spannungsteiler zugef hrt. Die erdseitige Verbindung wird dabei m¯glichst aus grossen Metallplatten oder Metallgittern hergestellt, um Potentialdifferenzen innerhalb dieser Verbindung zu vermeiden. Die Zuleitung L wird vor allem bei gr¯sserer LÏnge zweckmÏssig mit einem DÏmpfungswiderstand RL bedÏmpft, der vorzugsweise so gross gewÏhlt wird, dass er dem Wellenwiderstand der Zuleitung entspricht. Er ist unmittelbar am Anfang der Zuleitung anzubringen.
Der Aufbau des Spannungsteilers zwischen A und E setzt sich aus dem Hochspannungsteil mit den in Serie geschalteten WiderstÏnden R1' und Kondensatoren C1' zusammen und aus dem Niederspannungsteil mit dem Gesamtwiderstand R2 und der GesamtkapazitÏt C2. Die Gr¯sse von R2 und C2 wird vom ¯bersetzungsverhÏltnis des Teilers bestimmt. Soll beispielsweise die am Niederspannungsabgriff N auftretende Spannung 1/1000 der zu yT3/ messenden Spannung betragen, so muss R2 =--L-. und C2 = 1000 C1 gemacht werden, wenn C1 die sich aus der Serienschaltung aller Elemente C1' ergebende KapazitÏt ist.
Die wegen der H¯he der zu messenden Spannugen notwendigen, grossen TeilerverhÏltnisse bedingen somit fast ausnahmslos Niederspannungselemente, deren Widerstand R2 erheiblich kleiner ist als der Teilwiderstand Reines Hochspannuagsciementes bzw. deren Kapazität Ca erheblich gros, ser ist als die Teil- kapazitÏt C1' eines Hochspannungselementes. Da auch die unvermeidliche LÏngsinduktivitÏt L' (siehe Fig. 1) dem Übersetzungsverhältnis entsprechen muss, muss der Niodarspannungs'teii extrem induktionslos aufgebaut werden, d. h. die Serienresonnanz jedes RLC-Teilerelementes muss gleich gross sein.
Wird die Ausgangsspamniung nicht unmittelbar an N gemessen, so muss ein als Koaxialkabel ausgebildetes, möglichstdämpfungsarmesMasskabel K die Übertra- gung des Impulses zum MessgerÏt, beispielsweise einem Oszillagraphen O iibrnehmen. Um Impulsverzerrungen im Messkabel zu vermeiden, wird zwischen dem Niederspannungsabgriff N und dem Messkabol em Wider- stand eingeschaltet, der seiner Grösse nach DR2 entspricht, wenn Z dey-bey hohen Frequenzen wirksame Wellenwiderstamd des Kabels ist.
Daibei wird amgenom- men, dass das Messgerät einen gegenüber dem Wellenwiderstand Z des Kabais hohen Eingaagswidecrsta. nd besitzt, so dass der zum Messgorät lauiende Spannungs- impuls am MessgerÏt-Eingang durch die Reflexion verdoppelt wird. Die reflektierte Welle wird dann aber über die NiederspannungskapazitÏt C2 reflexionsfrei abgef hrt, da sic resultierend die beiden WiderstÏnde (Z-R2) + R2 = Z voRdet. Es sei noch erwÏhnt, dass das Masskabal auch mit einem mehrfachen Kabelmantel ausgef hrt sein kann, um eine bessere Abschirmung der durch den Hochspannungsimpuls uh (t) hervorgerufenen elektromagnetischen VorgÏnge zu erreichen.
Die technische Ausführung der für den Spannungsteiler notwendigen WiderstÏnde und Kondensatoren kann beliebig sein, sollte abler vornehmlich auf möglichst in duktionsarme Konstruktionjen beschränkt werden, wenn die der TeilerlÏnge entsprechende bestm¯gliche Bandbreibe erreiclit wemden soU. In Fig. 3 ist als Beispiel ein Ausschnitt aus dem Hochspannungsteil eines Spannungsteilers dargestellt, der aus bekannten keramischen Plat tenkondensatoren C1' und SchichtwiderstÏnden R1' aufgebaut ist, wobei der Widerstand R1' vorzugsweise aus mehreren parallelgeschalteten Schichtwiderstännn besteht.
Die KondensatorbelÏge sind mit B bezeichnet. Ein zu Versuchs-und Erprobungszwecken ausgefiihrter Spannungsteiler für etwa 1 MV-Stossspannung wurde aus insgesamt vierzig Plattenkondensatoren und der ent sprechenden ZaM von Sohichtwidenständen aufgabaut.
Der Hochspannungsteil des Spannungsteilers kann auch aus Olpapierkondeotsatopen hergestellt wetrden, wie beispielsweise in Fig. 4 sohematisch dargastellt ist. Der Kondensator C1' jedes Teilerelementes besteht beispielsweise aus drei in Serie geschalteten aufeinandergeschichteten Ílpapierwickelkondensatoren K1, K2, K3. Zwischen den einzelnen aus je drei Kondensatoren K1, K2, K3 bestehenden Kondensatoren C1' sind Isolierstoffplatten J angeo?dnet, um die herum eine Mehrzahl von uner- einander parallelgaschalteten WiderstÏnden R1', zweck mäjssijg.amUmfanggleichmässigvertteilt,.angebrachtist.
Vorzugsweise werden SchichtwiderstÏnde oder induktionsarm gewickelte DrahtwiderstÏnde verwendet. Zur Herstallung der Serienschaltung der Kondensatoren und WiderstÏnde sind die Isolierstoffplatten J beispielsweise auf beiden Seiten mit MetallbelÏgen M1 bzw. M2 versehen, die einerseits mit den anliegssnden Kondensatoren K3 bzw. Ki, anderseits mit den einen bzw. anderen Klem- men der WiderstÏnde R1' leitend verbunden sind, wie in Fig. 4 schematisch angedeutet ist.
Der Niederspannungsteil des Spannungsteilers wird, um die Bedingung extrem kleiner Induktivität zu erfül len, vorzugsweise aus vielen Einzelkondensatoren und Widerständen aufgebaut. Fig. 5 zeigt eine erprobte Schal tungsanordnung. Die EinzelkondensatorenC;
/liegen bei spielsweisezwischen, zwei Me. tauplatt'en Pi, P vorzugs- weise so, das.sjederEinzelkondensatormiteinem Widerstand R2' bedÏmpft wird Dies ist deshalb empfehlenswert, weil sich bei sehr hohen Frequenzen innerhalb der Mstallplatten Potentialdifferenzen einstellen können, welche ohne Dämpfungswiders, tände die plarallel geschal- .tatenKondensatorenzurParallelresonanzianregen. So ferndie Summe dieserDämpfungswiderständenochnicht den für das Übersetzungsverhältnisnotwendigen Widerstand R, bildet,werden,wieinFig. 5 dargestellt ist,
weitere WiderstÏnde zwischen den Niederspannungsanschlusspunkt N und die Metallplatte P1 dazu geschaltet.
Werden diese WiderstÏnde nicht ben¯tigt, wird der Punkt N direkt mit der Platte P1 verbunden. Der Anschluss des Messkabelserfolgtzweckmässigzentrisch zum Niederspannungsteil,wobeiessichempfiehlt, den zur Vermeidung von Reflexionserscheinungen, notwen- digen Widerstand Z-Rg konstruktiv mit dem Niedetnspan- nungsteil zu vereinigen, wie in Fig. 5 angedeutet ist, in der mit MK die Buchse f r den Anschluss des Mess kabels bezeichnet ist.
Da die bei einem senkrecht auf dem Erdboden auf- gestellten Spannungsteiler wirksamen Erdkapazitäten Ce' nicht gleich gross sind, sondern entsprechend den von oben nach unten kleiner werdenden AbstÏnden von der Erde nach unten hin gr¯sser werden, ist der Wellenwiderstand des Teilers
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nicht über die Teilerlänge mn Konstant, sondern am Te@lerkopf A etwas gr¯sser als am Teilerfuss E. Deshalb kann es zur Erzielung optimaler Ergebnisse zweckmÏssig sein, die einzelnen Teilerelemente nicht aus gleich grossen Elementen R1' und C1' aufzubauen, sondern sie den verÏnderten Wellenwiderständen anzupassen.
Dies erfordert nach der für die GrosssdssWiderstandesgültigenGleichungeinenam Teilerkopf gr¯sseren Widerstand R1' als bei den dem Niederspannungsteil nÏchstliegenden Elementen. Entsprechend wird zweckmässigauchdiezugehörigeKapa- zität C/etwas verkleinert,umdieZeitkonstantenR/C/ jedes Elementes gleich gross zu machen.
Der insgesamt notwendige Gesamtwiderstand R?R1 des Teilers ist aus physikalischen Gr nden nicht gross und kann daher dem Wellenwiderstand der Zuleitung zum Spannungsteiler-oder umgekehrt-angeglichen werden. Dadurch können Reaexionserscheiimngeneven- tuell notwendigerZuleitungenwirksamveddeinectund vermieden werden.