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.
Arrangement for measuring high voltage pulses, in particular surge voltages, or high alternating voltages
The invention relates to an arrangement for measuring high voltage pulses, in particular surge voltages, or high alternating voltages with the help of a voltage divider built from a plurality of capacitors and ohmic resistors, which has a tap located close to the low-voltage end for the low measuring voltage to be fed to the measuring device.
The voltage divider is placed between the high voltage to be measured and earth or between the test object connected to the high voltage and earth and the low measuring voltage is taken from the voltage divider tap, e.g. B. an oscilloscope supplied. The connection between the output of the voltage divider on the low voltage side and the measuring device is usually made via a coaxial cable, so that the measuring device is outside the danger of high voltage. The voltage dividers are either ohmic or capacitive dividers.
In all ohmic voltage dividers known so far - consisting primarily of continuously and low-inductance wound wire resistors of a length that is too high a voltage - the main disruptive factor is the earth linkage capacitance that continuously acts on the resistor, i.e. that which builds up between the resistance and the earth potential , electric field. As a result, the high-frequency processes, before they even reach the low-voltage part of the resistor, are diverted as displacement currents to earth. The potential distribution along the divider caused by these capacitances is therefore non-linear and deviates from the ohmic span distribution.
Various measures have already become known to largely eliminate this harmful influence. For example, a large metallic screen has been placed on the tip of the divider in order to even out the electrical field along the divider and thus to reduce the effectiveness of the earth linkage capacities. Furthermore, an attempt has been made to force a largely homogeneous capacitive voltage division along the resistors by means of the resistors of the voltage divider connected in parallel. This arrangement is known as the? Mixed voltage divider? known.
The capacitors connected in parallel can be graded accordingly in size. It is also known to use a non-linear distribution of the resistance to adjust the ohmic voltage advantage to the capacitive one, whereby the capacitive voltage distribution is made more or less independent of environmental influences by a small screen on the divider head. The disruptive earth capacitance can also be reduced in a simple manner by reducing the height of the divider. In this case, the divider must be built into high-quality insulation (compressed air, nitrogen under increased pressure, oil). This method has also already been used, but means that the divider is only suitable for very short voltage pulses (approx. 1? S).
The reason for this is that the Eaergy turnover is concentrated in a very small space and causes an inadmissibly strong heating of the resistance material.
For the measurement of voltage pulses <1.us in length, extremely low-resistance ohmic voltage dividers are occasionally used, where the small divider distance of 500 ... 1000? the influence of the disruptive e-capacities disappears.
This type of divider is also only suitable for measuring very short voltage pulses, as the small divider resistance places a heavy load on the voltage source and flattens the pulses after a short time.
All previously known capacitive voltage dividers can be divided into two groups: In the first group, the high voltage capacitance is formed by two metal electrodes (spheres, coaxial cylinders).
The low-voltage capacitance consists of corresponding low-voltage capacitors. In the second group, the high-voltage capacitance consists of a large number of individual capacitors connected in series, which are primarily made up of wraps of oil paper. The low-voltage capacitance is built up accordingly from suitable individual capacitors.
With all capacitors of this type, the transmission of very high-frequency processes (frequency> 1 MHz) is decisively disturbed by the always finite inductance of the capacitors, as shown by a detailed theoretical and practical investigation. These disturbances cannot be eliminated even if the series resonance circuit formed by the supply lines to the capacitive voltage divider (inductance of the supply line, capacitance of the voltage divider) by an im
In the course of the supply lines built-in damping resistor is completely steamed.
All previously known cons. The constructions of voltage dividers either represent special solutions that can only be used for special purposes, namely very short voltage pulses, or they can only handle the physical phenomena that occur with very high-frequency processes in an unsatisfactory manner.
The object of the invention is to create an arrangement for measuring high voltage pulses, in particular surge voltages or other high alternating voltages with the aid of a voltage divider, in which the disadvantages of the known arrangements described above are avoided and which in particular enables one-off or after long pauses to measure unipolar voltage pulses that occur asymmetrically with respect to the earth potential and whose pulse duration is less or considerably less than 1 Ás, and also to carry out long-wave tests on test objects.
The invention is based on the knowledge that voltage pulses can be broken down into continuous frequency spectra with the aid of the Fourier integral, and are thus composed of an infinite number of harmonic voltage oscillations. In general it can be seen that a time pulse contains higher frequency components the shorter the pulse duration. A measuring arrangement and, in particular, a voltage divider must therefore transmit all harmonic voltage oscillations that are contained in the voltage pulse to be measured, undamped and as undelayed as possible.
In the ideal case, the division ratio of the voltage divider should therefore be independent of the frequency, or, in other words, the transition function of a voltage divider to a step function - apart from the amplitude reduced by the divider ratio - should again be a step function.
The object set is achieved according to the invention in that the voltage converter consists of a plurality of series-connected, each formed by a capacitor and an ohmic resistor connected in series with it.
In Fig. 1 the equivalent circuit diagram of a voltage divider as it is used in an arrangement according to the invention is shown, for example. It consists of a number of ohmic resistors and capacitors. Each of the divider elements connected in series is formed by a resistor and a capacitor connected in series with it, which are denoted by R 'and C' in the equivalent circuit diagram. The equivalent circuit diagram takes into account all the effects effective on a spatially extended, largely homogeneous voltage divider. The indicated inductances, L 'can adhere to the resistors R', the capacitors C 'and the connecting lines necessary for keeping them together.
The earth capacitances are represented with Ce's and thus the inherent field of the voltage divider is taken into account. If n is the total number of partial op-elements connected in series, the total partial resistance results in R = n-R ', the total divider inductance in L = n.L', the total divider capacitance in C = C '/ n and the total earth capacitance to Ce = n.Ce 'The high-voltage pulse uh (t) should be converted by the divider into an output pulse un (t) which is only reduced in amplitude.
The physical mode of operation of this divider in the transmission of high frequencies is immediately recognizable when the capacitance C 'is perceived as a conductive connection, i.e. not present, which is absolutely permissible at high frequencies. This provides the equivalent circuit diagram of a homogeneous, lossy piece of solder that is open at divider head A and short-circuited at divider end E.
If a voltage suddenly rises to its maximum value (step voltage) at point A, both a voltage and a current wave enter the divider in order to be conducted to earth at the divider end E more or a few degrees reflection-free.
A real and clean voltage division is achieved when the voltage decreases continuously from A as possible in order to finally drop at the divider end E to the value zero. The elements causing a donor-like damping are the resistances R '. If these resistances are very high, the incoming voltage will be inadmissibly small before the divider end E is reached.
If the resistances are too small, a finite and too high voltage value hits the divider end E, which is reflected and, running back into the divider, generates undesired oscillations at the low-voltage handle. A meaningful bath damping of the divider is achieved if the total damping resistance (divider resistance) of the condition
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obey.
Furthermore, it can be shown that the transition function, which does not appear, increases the faster (and thus the transferable cut-off frequency becomes higher), each of which is the running time LCe of the divider.
A short running time of the divider can be achieved either by a smaller earth capacitance Ce or by a jdaine inductance L - always provided that the smallest possible total resistance R necessary for damping the divider is switched on according to the above equation. A reduction in the earth's capacitance is, irrespective of the complicated constructions caused by it, 'not advisable because it has to increase the total resistance required. On the other hand, a small inductance L can easily be achieved when using low-inductance capacitors C 'and resistors R'.
With this type of divider, the physical limit of any voltage division with a spatially extended structure can be reached when the transit time? LCe is so large that it corresponds to the speed of light as the limit value for the propagation speed of all electromagnetic processes. The physical value of the straight divider, which is reached with approx. 1? H per meter of divider length, is the physical magnitude of the inductance L.
The series connection of the capacitances C 'does not in any way impair the described electromagnetic process. This series connection is essential for a practical and universal application of the voltage divider. In the case of slower and therefore low-frequency measuring voltages, the total resistance of the divider increases significantly and can be calculated as a first approximation from R + 1 / jwC).
With the increasing high impedance. All repercussions on the existing voltage sources are reduced. The energy conversion in the resistors R 'is very much reduced in comparison to a purely ohmic divider with the total resistance R, since currents only flow through the divider when the voltage changes.
The many series connection of resistors and capacitors up to the low-voltage tap is essential for the correct operation of the divider, but on the other hand no excessive subdivision has to be made. Since the cut-off frequency fb of the divider is reached when the wavelength? B corresponds to twice the divider length (? B fb = c; c = speed of light), the physical transmission limit can also be explained by the antenna effect of the divider: The high frequencies zen was then emitted from the divider as electromagnetic waves. It is therefore sufficient if an individual R'C 'element of the divider has a length dimension that is approximately.
This results in at least 5 subdivisions. But even with even fewer subdivisions, better results can be achieved than with the series connection of just a resistor and a capacitor, which is already known per se, but was used for completely different reasons.
An example of an impulse voltage measuring arrangement to be set up with such a voltage divider is shown in FIG. The high-voltage pulse uh (t) to be measured between points 1 and 2 is fed to the actual voltage divider in a known manner via the shortest possible lead L and the earth-side connection between 2 and E. The earth-side connection is made from large metal plates or metal grids, if possible, in order to avoid potential differences within this connection. The supply line L is expediently attenuated with a damping resistor RL, especially if it is longer, which is preferably chosen so large that it corresponds to the wave resistance of the supply line. It is to be attached directly at the beginning of the supply line.
The structure of the voltage divider between A and E consists of the high-voltage part with the series-connected resistors R1 'and capacitors C1' and the low-voltage part with the total resistance R2 and the total capacitance C2. The size of R2 and C2 is determined by the transmission ratio of the divider. If, for example, the voltage occurring at the low voltage tap N is to be 1/1000 of the voltage to be measured by yT3 /, then R2 must = - L-. and C2 = 1000 C1 can be made if C1 is the capacitance resulting from the series connection of all elements C1 '.
The large divider ratios necessary because of the high voltage to be measured thus almost without exception require low-voltage elements, the resistance R2 of which is considerably smaller than the partial resistance of a pure high-voltage element or whose capacitance Ca is considerably greater than the partial capacitance C1 'of a high-voltage element . Since the inevitable longitudinal inductance L '(see Fig. 1) must also correspond to the transmission ratio, the Niodar voltage section must be built up extremely without induction, i.e. H. the series response of each RLC divider element must be the same.
If the output voltage is not measured directly at N, a measuring cable K, designed as a coaxial cable and with as little attenuation as possible, must transmit the impulse to the measuring device, for example an oscillator O. In order to avoid pulse distortions in the measuring cable, a resistor is connected between the low-voltage tap N and the measuring plug, which corresponds to its size according to DR2, if Z dey-at high frequencies is the effective wave resistance of the cable.
It is assumed that the measuring device has a high input resistance compared to the characteristic impedance Z of the Kaba. nd, so that the voltage pulse flowing to the measuring device at the measuring device input is doubled by the reflection. The reflected wave is then dissipated without reflection via the low-voltage capacitor C2, since the two resistances (Z-R2) + R2 = Z result. It should also be mentioned that the measuring cable can also be designed with a multiple cable jacket in order to achieve better shielding of the electromagnetic processes caused by the high-voltage pulse uh (t).
The technical design of the resistors and capacitors required for the voltage divider can be of any kind, but should primarily be limited to a construction with as little induction as possible, if the best possible band width corresponding to the length of the divider can be achieved. In Fig. 3 a section of the high-voltage part of a voltage divider is shown as an example, which is made up of known ceramic plat tenkondensatoren C1 'and sheet resistors R1', the resistor R1 'preferably consists of several parallel-connected layer resistors.
The capacitor plates are marked with B. A voltage divider for about 1 MV surge voltage, designed for experimental purposes, was built from a total of forty plate capacitors and the corresponding number of resistors.
The high-voltage part of the voltage divider can also be made from oil-paper condensate atopes, as is shown schematically in FIG. 4, for example. The capacitor C1 'of each divider element consists, for example, of three wrapped paper capacitors K1, K2, K3 connected in series one on top of the other. Between the individual capacitors C1 ', each consisting of three capacitors K1, K2, K3, insulating material plates J are attached, around which a plurality of resistors R1' connected in parallel, expediently evenly distributed around the circumference, are attached.
Layer resistors or low-induction wire resistors are preferably used. To establish the series connection of the capacitors and resistors, the insulating plates J are provided on both sides with metal layers M1 and M2, for example, which are conductive on the one hand with the adjacent capacitors K3 or Ki and on the other hand with one or the other terminals of the resistors R1 ' are connected, as indicated schematically in FIG.
The low-voltage part of the voltage divider is preferably made up of many individual capacitors and resistors in order to meet the requirement of extremely small inductance. Fig. 5 shows a tried and tested circuit arrangement. The single capacitors C;
/ are between, for example, two meter plates Pi, P, preferably in such a way that each individual capacitor is damped with a resistor R2 '. This is recommended because at very high frequencies within the house plates, potential differences can occur which would occur without damping resistance the parallel-connected capacitors to excite parallel resonance. As long as the sum of these damping resistances does not form the resistance R, which is necessary for the transmission ratio, as in FIG. 5 is shown,
further resistors are connected between the low-voltage connection point N and the metal plate P1.
If these resistors are not required, the point N is connected directly to the plate P1. The connection of the measuring cable is expediently centered to the low-voltage part, whereby it is recommended to constructively combine the resistance Z-Rg necessary to avoid reflection phenomena with the low-voltage part, as indicated in Fig. 5, in which MK the socket for connecting the measuring cable is designated.
Since the earth capacitances Ce 'effective for a voltage divider set up vertically on the ground are not the same, but increase in accordance with the distances from the earth downwards, which decrease from top to bottom, the wave resistance of the divider is greater
EMI4.1
not constant over the divider length mn, but somewhat larger at divider head A than at divider foot E. Therefore, in order to achieve optimal results, it can be useful not to build the individual divider elements from elements R1 'and C1' of the same size, but rather from them to adapt to changed wave resistances.
According to the equation that applies to the high-voltage resistor, this requires a larger resistor R1 'at the divider head than on the elements closest to the low-voltage part. Accordingly, the associated capacity C / is also appropriately reduced somewhat in order to make the time constants R / C / of each element the same.
For physical reasons, the total necessary total resistance R-R1 of the divider is not great and can therefore be matched to the wave resistance of the supply line to the voltage divider - or vice versa. In this way, any necessary feed lines can be effectively discovered and avoided.