CH627592A5 - High-voltage test generator for test lightning voltages and test switching voltages - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrstufigen Hochspannungsgenerator zur Erzeugung von Prüfblitz- und Prüfschaltspannungen. 40

Zur Erzeugung sehr hoher Prüfimpulsspannungen (Prüfblitz- und Prüfschaltspannungen) im MV-Bereich werden in bekannter Weise mehrstufige Prüfgeneratoren in Marxscher Vervielfachungsschaltung verwendet, die nach oben durch eine auch als Kopfelektrode bezeichnete Abschirmelektrode abge- 45 schlössen sind (Schräder, W. «Eine neue Baureihe von Blitz-und Schaltspannungs-Prüfgeneratoren» Elektrie 30 (1976) H. 8, S. 446-447). Auf Grund des Durchschlagverhaltens von positiven Prüfschaltspannungen bestimmen diese die Dimensionierung der Kopfelektrode des Prüfgenerators, bzw. die erreich- 50 bare Nennschaltungspannung ist von der Ausführung der Kopfelektrode abhängig (Feser, K. «Probleme bei der Erzeugung hoher Schaltstossspannungen im Prüffeld» Bull.

ASE/UCS 65 (1974) 7 S. 496-508). Infolgedessen und auf Grund entsprechender Prüfvorschriften wird die Anzahl der Stufen 55 und damit die Grösse des Hochspannungsprüfgenerators im allgemeinen nach der geforderten Nennblitzspannung ausgelegt und im Schaltspannungsbetrieb eine Ladespannung verwendet, die unterhalb der zulässigen Stufenladespannung liegt.

Die Auslegung der Kopfelektrode erfolgt in bekannter 60 Weise nach einem zulässigen Höchstwert für die Oberflächenfeldstärke, wobei als Elektrodenformen hauptsächlich Toroide oder, insbesondere bei Spannùngsteilern, Doppeltoroide Anwendung finden (Freser, K. «Bemessung von Elektroden im UHV-Bereich, gezeigt am Beispiel von Toroidelektroden für 55 Spannungsteiler» ETZ-A Bd. 96(1975) H. 4, S. 206-210). Die Kopfelektroden sind dabei möglichst störstellenfrei als glatte Vollelektroden oder mit strukturierter Oberfläche als Polycon-

elektroden ausgeführt (Freser, K.; Stutter, H. «Konstruktion und Übertragungseigenschaften ausgeführter Spannungsteiler für mehrere MV» Bull. ASE/UCS 66 (1975) 12, S. 632-640).

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, Kopfelektroden nach der sogenannten «kritischen Streamerlänge», d. h. nach dem Potentialabbau vor der Elektrode zu dimensionieren, so dass zu Durchschlägen führende Leaderentladungen vermieden werden (Mosch, W. u. a. «Zur Dimensionierung von Abschirmelektroden von Prüfanlagen sehr hoher Spannungen» Wiss. Berichte, Symposium Hochspannungstechnik an der ETH Zürich 1975, S. 560-564).

Mit zunehmender Grösse bereitet die Herstellung dieser grossen Kopfelektroden jedoch in wachsendem Masse technologische Schwierigkeiten, hinzu kommen bei Freiluftanlagen erhebliche Windkräfte und nicht zuletzt wachsen die Kosten für diese Abschirmelektroden mit steigender Nennspannung erheblich. Wie auch an ausgeführten Prüfanlagen sichtbar, sind Nennschaltspannungen >3 MV nur noch schwer zu beherrschen (Bishop, M. J.; Simon, M. F. «The Impulse Generators At Les Renardieres» Transaction Paper IEEE-Meeting New York 1972). Schliesslich ist auch bekannt, bei grossen Blitz- bzw. Schaltspannungsgeneratoren neben der Kopfabschirmelektrode weitere, jedoch wesentlich kleinere Zwischenabschirm-elektroden an den Stufen zur Vermeidung von Vorentladungen anzuordnen, die von Metallarmaturen in den Generatorstufen ausgehen können. Diese Zwischenabschirmelektroden haben jedoch keinen nennenswerten Einfluss auf die Feldverhältnisse im Bereich der Kopfabschirmelektrode. Ausserdem ist es zur Erzeugung von gegenüber der Nennspannung wesentlich kleineren Prüfimpulsspannungen üblich, Prüfgeneratoren im Teilbetrieb zu betreiben.

Die Erfindung hat die Aufgabe, einen mehrstufigen Hochspannungsprüfgenerator zur Erzeugung von Prüfblitz- und Prüfschaltspannungen so zu verändern, dass das Verhältnis von erreichbarer Prüfschaltspannung zum Aufwand für die Gestaltung der Kopfabschirmelektrode und damit die Ausnutzung des Generators im Schaltspannungsbetrieb verbessert wird.

Erfindungsgemäss ist dies dadurch erreichbar, dass für die Erzeugung der Prüfschaltspannung die Spannungsvervielfachung nur in einer Anzahl erdnäheren Stufen erfolgt, dass die nicht für die Prüfschaltspannungserzeugung dienenden oberen Stufen durch wahlweise einsetzbare Schaltglieder in einen von drei Schaltzuständen bringbar sind :

a) die oberen Stufen sind kurzgeschlossen,

b) die oberen Stufen sind so geschaltet, dass sie mit Ladespannung von gegenüber dem Blitzspannungsbetrieb entgegengesetzter Polarität aufgeladen werden,

c) die oberen Stufen sind so geschaltet, dass ein Teil davon nach a) kurzgeschlossen, und ein Teil davon nach b) mit entgegengesetzter Polarität aufgeladen werden,

und dass wenigstens im Bereich des Übergangs von den der Prüfschaltspannungserzeugung dienenden Stufen zu den übrigen Stufen zumindest eine weitere, mit einem benachbarten Stufenpotential verbundene, grossflächige Abschirmelektrode vorgesehen ist.

Durch die Erfindung ist es möglich, eine höhere Nennschaltung zu realisieren, ohne dass die Fertigung der Kopfabschirmelektrode und des Prüfgenerators komplizierter werden. Durch Anbringen mindestens einer weiteren Abschirmelektrode und dem Kurzschliessen bzw. Aufladen der oberen, zur Schaltspan-nungserzeugung nicht benötigten Stufen mit einer Spannung von entgegengesetzter Polarität, wird beim Durchzünden des Prüfgenerators eine elektrische Entladung der Kopfelektrode erreicht. Dies erfolgt derart, dass die Kopfelektrode zusammen mit der einen Abschirmelektrode z. B. in der Art eines grossen Doppeltoroides als «Kopfelektrode» wirksam ist oder die Kopfelektrode bereits wieder eine niedrigere Spannung aufweist und gleichzeitig die auf Nennschaltspannungspotential lie-

gende Abschirmelektrode feldmässig entlastet.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Darin zeigen die Figuren 1 bis 3 Hochspannungsprüfgeneratoren in zum Teil modifizierten Marxschen Vervielfachungsschaltungen für Schaltspannungsbetrieb mit verschiedenen, durch unterbrochene Linien angedeuteten Abschirmelektrodenanordnungen.

In Fig. 1 ist ein mehrstufiger Hochspannungsprüfgenerator (nachfolgend Prüfgenerator genannt) in Marxscher Vervielfachungsschaltung dargestellt, der grundsätzlich sowohl zur Erzeugung von Prüfblitzspannungen als auch durch einfache Umrüstung für aperiodische Prüfschaltungen geeignet, hier in besonderer Weise für die Erzeugung sehr hoher positiver Prüfschaltspannungen von aperiodischen Spannungsverlauf ausgelegt ist. Die einzelnen Stufen des Prüfgenerators enthalten in üblicher Weise Ladewiderstände 1, Zündfunkenstrecken 2, Impulskondensatoren 3 sowie Dämpfungs- und Entladewiderstände 4 bzw. 5. Die Belastungskondensatoren sind mit 6 bezeichnet. Nach einer durch die Höhe der Nennschaltspannung bedingten Zahl von Stufen sind der Ladewiderstand zur folgenden Stufe (Stelle X) ausgebaut und die in den weiteren Stufen bis zum Kopf des Prüfgenerators angeordneten Impulskondensatoren 3 durch Schaltmittel 7 kurzgeschlossen, so dass eine Spannungsvervielfachung nur bis zur Stufe Ai erfolgt und sämtliche folgenden Stufen bis zur letzten Stufe A2 das Potential der Stufe Ai aufweisen. An dieses Potential ist eine grossflächige Abschirmelektrode 8 angelegt, deren Masse in der gleichen Grössenordnung wie diejenigen der den Prüfgenerator nach oben abschirmenden toroidförmigen Kopfabschirmelektrode 9 liegen und die in unmittelbarer Nähe dieses Potentials, also im Bereich des Übergangs der zur Spannungsvervielfachung im Schaltspannungsbetrieb wirksamen Stufen zu den weiteren kurzgeschlossenen Stufen angeordnet ist. In Fig. 1 ist die Abschirmelektrode 8 aus technologischen Gründen etwas unterhalb der Stufe Ai mit der sie jedoch elektrisch verbunden ist, angebracht. Sie ist unter gleichzeitiger Überbrückung der Belastungskondensatoren 6 mit einer Leiterverbindung 11 direkt mit der Kopfabschirmelektrode 9 verbunden.

Diese Ausführung des Prüfgenerators zur Erzeugung von Prüfschaltspannungen geht zum einen von der prüftechnologisch bedingten Differenz zwischen Nennblitzspannung und Nennschaltspannung sowie von dem unterschiedlichen Durchschlagsverhalten beider Prüfspannungsformen aus. Aus diesen Gründen ist es möglich, die geforderte Nennschaltspannung zu erzeugen, ohne dass sämtliche Stufen des nach der Nennblitzspannung dimensionierten Prüfgenerators verwendet werden müssen. Dies geschieht vorteilhafter Weise unter Ausnutzung der zulässigen Stufenladespannung. In dem Prüfgenerator nach Fig. 1 werden zur Schaltspannungserzeugung nur die Stufen zwischen Erdpotential und einschliesslich der Stufe Ai genutzt. In dieser Stufe wird also die gewünschte Nennschaltspannung erreicht und abgenommen. Die auf diesem Potential liegende und in der Nähe dieser Stufe angebrachte grossflächige Abschirmelektrode 8 ermöglicht eine Entlastung der Kopfabschirmelektrode 9 bezüglich der elektrischen Feldstärke, so dass die Kopfabschirmelektrode 9 entweder kleiner als bisher erforderlich ausgeführt werden kann oder höhere Schaltspannungen mit einer konstanten Grösse der Kopfabschirmelektrode 9 bei gleichzeitiger Anordnung der etwa ebenso grossen Abschirmelektrode 8 beherrscht werden können.

Im Blitzspannungsbetrieb werden neben der Änderung der Dämpfungs- und Entladewiderstände 4 bzw. 5 und dem Einbau des Ladewiderstandes an der Stelle X die Schaltmittel 7 zur Überbrückung der Impulskondensatoren 3 in den oberen Stufen und die Leiterverbindung 11 zwischen den Abschirmelektroden 8 und 9 entfernt, so dass sämtliche Generatorenstufen zur Spannungsvervielfachung beitragen und die gewünschte Nennblitzspannung am Generatorausgang erhalten wird. In

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diesem Fall liegt die zusätzliche Abschirmelektrode 8 auf Zwischenpotential und hat keine Bedeutung.

In Fig. 2 ist ein Prüfgenerator in modifizierter Marxscher Vervielfachungsschaltung für den Schaltspannungsbetrieb gezeigt, dessen schaltungstechnische Besonderheit darin liegt, dass die beiden Impulskondensatoren 3 einer Stufe jeweils mit der halben Ladespannung verschiedener Polarität aufgeladen werden. Wie auch in Fig. 1 findet beim Zünden des Prüfgenerators die Spannungsvervielfachung bis einschliesslich zur Stufe Ai statt, die sodann auf Nennschaltspannungspotential liegt. Da die Impulskondensatoren 3 in den folgenden, nur im Blitzspannungsbetrieb genutzten Stufen bis zur letzten Stufe A2 jeweils durch Schaltmittel 7 kurzgeschlossen sind, weisen auch diese das gleiche Potential auf. In diesem Fall ist neben der als Rotationsellipsoid ausgebildeten Kopfabschirmelektrode 9 an der ersten, auf die Stufe Ai folgenden kurzgeschlossenen Stufe ein Doppeltoroid als grossflächige Abschirmelektrode 8 angebracht. Ausserdem ist zur weiteren feldmässigen Entlastung der Abschirmelektrode 8 eine weitere, unterhalb der Stufe Ai angeordnete und als Toroid ausgebildete grossflächige Abschirmelektrode 10 vorgesehen, die demzufolge auf niedrigem Potential liegt.

Eine weitere Ausführungsform stellt Fig. 3 dar. Der Aufbau der Stufen des Prüfgenerators ist der gleiche wie in Fig. 2.

Diese Ausführungsvariante ist besonders für Prüfgeneratoren mit einer relativen grossen Differenz zwischen Nennblitz- und Nennschaltspannung geeignet. Die Nennschaltspannung wird wiederum in der Stufe Ai erhalten, die von der Abschirmelektrode 8 umgeben ist. Die Abschirmelektrode 8 kann jedoch bis zu 30 bis 50% kleiner sein als die Kopfabschirmelektrode 9 und als eine weitere, auf einem niedrigeren Potential angeordnete Abschirmelektrode 10, deren Anbringung vorteilhaft ist.

Dieser Effekt wird dadurch erreicht, dass durch einmalige «Kreuzung» der Ladespannungszuführung (Ladewiderstände 13) oberhalb der Stufe Ai die Impulskondensatoren 3 der folgenden Stufen mit einer Ladespannung von entgegengesetzter Polarität aufgeladen werden. Beim Zünden des Prüfgenerators tritt wiederum in der Stufe Ai die Nennschaltspannung auf. Diese wird jedoch durch den Spannungsabfall in den oberen Stufen entsprechend der Stufenzahl zwischen den Stufen Ai und A2 wieder reduziert, so dass sich die Kopfabschirmelektrode 9 auf niedrigerem Potential als die mit der Stufe Ai elektrisch verbundene Abschirmelektrode 8 befindet. Die unterhalb der Stufe Ai angebrachte, grössenordnungsmässig etwa der Kopfabschirmelektrode 9 entsprechende Abschirmelektrode 10 weist ein der Kopfabschirmelektrode 9 ähnliches Potential auf. Auf diese Weise wird die auf Nennschaltspannungspotential liegende Abschirmelektrode 8 von den auf niedigerem Potential befindlichen Elektroden, der Kopfabschirmelektrode 9 und der Abschirmelektrode 10 eingeschirmt, so dass trotz verkleinerter Abschirmelektrode 8 die Nennschaltspannung beherrscht werden kann. Eine derartige Lösung ist wirtschaftlich jedoch nur dann sinnvoll, wenn wie in Fig. 3, ohnehin in jeder Stufe des Prüfgenerators die Ladespannung in beiden Polaritäten vorhanden ist. Gegebenenfalls ist es zur Verbesserung des Durchzündverhaltens des Prüfgenerators, insbesondere in den oberen, entgegengesetzt gepolten Stufen notwendig, jede Stufe getriggert auszulösen.

Eine vorteilhafte Realisierung der Erfindung ist insbesondere auch dadurch erreichbar, dass in schaltungstechnischer Hinsicht eine Kombination der Prüfgeneratoren gemäss Fig. 2 und Fig. 3 bei gegebenenfalls modifizierter Elektrodenanordnung erfolgt derart, dass zur Verringerung der Gleichspannungsbeanspruchung der Isolierstrecke zwischen der Stufe Ai und der folgenden Stufe im Ladezustand, diese Stufe kurz geschlossen und über die Reihenschaltung der Dämpfungs- und Entladewiderstände 4 bzw. 5 annähernd auf Erdpotential gelegt wird. Erst die auf diese kurzgeschlossene Stufe nach

3

5

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oben folgenden Stufen werden mit der Ladespannung von entgegengesetzter Polarität aufgeladen.

Neben den Fig. 1-3 gezeigten Anordnungen der Kopf- bzw. Abschirmelektroden sind selbstverständlich auch andere Konfigurationen möglich.

Es wäre auch denkbar, erfindungsgemäss gestaltete Prüfgeneratoren neben dem Blitzspannungsbetrieb auch zur Erzeugung schwingender Schaltspannungen zu verwenden. In diesem Falle wären die zur Erzeugung der Prüfschaltspannung benötigten Bauelemente, inbesondere die Drosselspulen, vorzugsweise in den erdnächsten Stufen bis zur Stufe Ai vorgesehen.

Die Erfindung ermöglicht in vorteilhafter Weise die Erzeu-5 gung sehr hoher, insbesondere aperiodischer Prüfschaltspannungen mit kombinierten Prüfgeneratoren für Prüfblitz- und Prüfschaltspannungen, ohne dass ein vergrösserter Aufwand für die Herstellung der erforderlichen Abschirmelektroden nötig ist.

c;

3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. 627592

   PATENTANSPRÜCHE

   1. Mehrstufiger Hochspannungsprüfgenerator für Prüfblitz-und Prüfschaltspannungen mit einer Kopfabschirmelektrode (9), dessen in Parallelschaltung aufgeladene Stufen zur Entladung durch Zündfunkenstrecken in Reihe geschaltet werden, 5 dadurch gekennzeichnet, dass für die Erzeugung der Prüfschaltspannung die Spannungsvervielfachung nur in einer Anzahl erdnäheren Stufen erfolgt, dass die nicht für die Prüf-schaltspannungserzeugung dienenden oberen Stufen durch wahlweise einsetzbare Schaltglieder (7,11,13, X) in einen von i o drei Schaltzuständen bringbar sind:

   a) die oberen Stufen sind kurzgeschlossen,

   b) die oberen Stufen sind so geschaltet, dass sie mit Ladespannung von gegenüber dem Blitzspannungsbetrieb entgegengesetzter Polarität aufgeladen werden, i 5

   c) die oberen Stufen sind so geschaltet, dass ein Teil davon nach a) kurzgeschlossen, und ein Teil davon nach b) mit entgegengesetzter Polarität aufgeladen werden,

   und dass wenigstens im Bereich des Übergangs von den der Prüfschaltspannungserzeugung dienenden Stufen zu den übri- 20 gen Stufen zumindest eine weitere, mit einem benachbarten Stufenpotential verbundene, grossflächige Abschirmelektrode (8) vorgesehen ist.
2. 2. Hochspannungsprüfgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Abschirmelektrode (8) mit 25 der erdfernsten, dem Prüfschaltspannungsbetrieb dienenden Stufe (Ai) zumindest elektrisch verbunden ist und ihre Grösse etwa derjenigen der Kopfabschirmelektrode (9) entspricht.
3. 3. Hochspannungsprüfgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der weiteren Abschirmelek- 30 trode (8) wenigstens eine zusätzliche Abschirmelektrode (10) vorgesehen ist.

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