CH643363A5 - Kapazitiver wechselspannungsteiler. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE 8) Spannungsteiler nach Anspruch 6 und 7, dadurch ge-

1) Kapazitiver Wechselspannungsteiler, insbesondere für kennzeichnet, dass der Eingang des Gleichspannungssperrfil-mittlere oder hohe Spannungen, mit einer zwischen eine Pri- ters (Fl) direkt an den Ausgang des Pufferverstärkers (V2) märspannung und eine Bezugsspannung anschliessbaren Rei- angeschlossen ist.

henschaltung mindestens zweier Kondensatoren, deren einer 5

als Messkondensator (C2) dient, von welchem als Sekundär-

Spannung ein Messsignal abgeleitet wird, das eine Wechselspannungskomponente und eine Gleichspannungskompo- Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Wechselspannente aufweisen kann, und mit einer über den Messkondensa- nungsteiler gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. tor geschalteten Leckimpedanz (Rl) zur Entladung der io Ein ähnlicher Spannungsteiler ist aus der Veröffentli-Gleichspannungskomponente, sowie mit einer Schaltungs- chung «Bulletin Scientifique A.I.M.» vom Juni 1973, Seiten Ordnung (Fl, D, Bl), welcher das Messsignal zum Ableiten 154 bis 155 bekannt.

der Gleichspannungskomponente aus dem Messsignal zuge- Wenn das vom Messkondensator abgeleitete Messsignal führt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal und zur Überwachung der dem Spannungsteiler zugeführten Pri-die abgeleitete Gleichspannungskomponente einer Kompen- is märspannung dient, dann kann eine solche Gleichspannung sationseinrichtung (VI, C3, R2-R4, SI, S2), zugeführt wer- über dem Messkondensator diese Überwachungsfunktion be-den, welche die im Messsignal vorhandene Gleichspannungs- einträchtigen oder sogar zunichte machen. Bei Vorhandenkomponente kompensiert. sein einer solchen Gleichspannung können Distanzrelais

2) Spannungsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekenn- nicht zeitlich schnell genug ansprechen oder sie sprechen zeichnet, dass die Kompensationseinrichtung einen Kompen- 20 falsch an; auch wird die Lokalisierung eines Erdschlusses sationskondensator (C3) mit einer parallel dazu liegenden oder Phasenkurzschlusses schwierig oder gar unmöglich. Leckimpedanz (R2), die mit einem gemeinsamen Anschluss Eine Gleichspannung kann beispielsweise am Messkon-an eine Bezugsspannung anschliessbar sind, aufweist, sowie densator auftreten wenn eine Primärwechselspannungslei-eine Schalteranordnung (S 1, S2) zur Zuführung einer vorge- tung in einem Augenblick abgetrennt wird wenn die Welle der gebenen weiteren Bezugsspannung (Vrefl, Vref2) an den ande- 2s Wechselspannung keinen Nulldurchgang hat. Die dann auf ren gemeinsamen Anschluss des Kompensationskondensa- der Leitung verbleibende Spannung führt zu einer Restla-tors (C3) mit der parallelgeschalteten Leckimpedanz (R2), dung, welche auch als die Gleichspannungskomponente anwobei die Schalteranordnung (SI, S2) durch ein aus der gesehen werden kann und welche über den mit der Primär-Grösse der Gleichspannungskomponente abgeleitetes Signal Spannung verbundenen Kondensator eine Gleichspannung steuerbar ist und der Wert der weiteren Bezugsspannung und 30 im Messkondensator zur Folge hat. Wenn beim Vorhandendes Einschaltzeitpunktes der Schalteranordnung derart ge- sein einer solchen Gleichspannung am Messkondensator die wählt ist, dass die Spannung am Kompensationskondensator Spannung nach ein paar Perioden wiederkehren würde und die Gleichspannungskomponente im Messsignal kompensie- . unmittelbar danach ein Kurzschluss auftreten würde, währen kann, ferner einen Differenzverstärker (VI), dessen einem rend die Gleichspannung noch nicht abgeleitet ist dann würde Eingang das Messsignal und dessen anderem Eingang die 35 demzufolge erst nach ein paar Perioden das Messsignal einen Spannung am Kompensationskondensator (C3) zugeführt Nulldurchgang aufweisen auf den hin ein Distanzrelais anwird und dessen Ausgangssignal bezüglich der Gleichspan- spricht. Das läuft aber darauf hinaus, dass das Relais zu spät nungskomponente kompensiert ist und der ein Gleichspan- reagiert. Auch können Überspannungen auf der Primärwech-nungssperrfilter (Fl), eine Vergleichsschaltung (D) und eine selspannungsleitung zu Restladungen und Gleichspannungen logische Entscheidungsschaltung (B1) umfassenden Schal- 40 am Messkondensator führen.

tungsanordnung zugeführt wird. Für ein korrektes Arbeiten von Distanzrelais ist eine un-

3) Spannungsteiler nach Anspruch 2, dadurch gekenn- verfälschte Wiedergabe der Änderungen der Primärspannung zeichnet, dass der Kompensationskondensator (C3) und die wesentlich. Bei dem bekannten Spannungsteiler ist daher eine zugehörige Leckimpedanz (R2) die gleiche Zeitkonstante wie Leckimpedanz parallel zum Messkondensator geschaltet, so der Messkondensator (C2) mit der diesem parallelgeschalte- 45 dass die Gleichspannung genügend schnell verschwindet.

ten Leckimpedanz (Rl) bilden. Die Verwendung einer Leckimpedanz verhindert in der

4) Spannungsteiler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge- Tat das Auftreten einer unzulässigen Verzögerung beim Bekennzeichnet, dass die Schalteranordnung aus mehreren par- trieb von Schutzeinrichtungen unter anderem bei den vorste-allelen Schaltern S1, S2) gebildet ist, von denen jeder an eine hend erläuterten Bedingungen, jedoch hat eine solche Verandere vorbestimmte Bezugsspannung (Vrefl, Vref2) ange- so wendung die schädliche Wirkung, dass das Messsignal gegen-schlossen ist. über der Primärwechselspannung in der Phase verschoben

5) Spannungsteiler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge- wird. Infolgedessen sprechen wiederum die Schutzeinrichtun-kennzeichnet dass die weitere Bezugsspannung (Vrefl, VreQ) gen verzögert an, beispielsweise im Fall eines Kurzschlusses gleich der abgeleiteten Gleichspannungskomponente ist. im Primärwechselspannungskreis. Ausser einer Phasenver-

6) Spannungsteiler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da- 55 Schiebung weist das Messsignal infolge der Leckimpedanz durch gekennzeichnet, dass zwischen den Messkondensator Ausgleichserscheinungen auf, infolge deren ein akkurater Be-(C2) und den Differenzverstärker (VI) ein Pufferverstärker trieb des Schutzsystems für die Primärwechselspannung ge-(V2) eingefügt ist (Fig. 3). stört wird, wie unschwer einzusehen ist.

Die oben angeführten Nachteile werden vermieden durch

7) Spannungsteiler nach einem der Ansprüche 2 bis 6, da- so einen kapazitiven Wechselspannungsteiler gemäss dem kenn-durch gekennzeichnet, dass dem einen Eingang der Ver- zeichnenden Teil des Patentanspruches 1.

gleichsschaltung (D) über das Gleichspannungssperrfilter Bei dem erfindungsgemässen kapazitiven Wechselspan-

(Fl) das aus dem Messsignal ausgesiebte reine Wechselspan- nungsteiler wird die Gleichspannungskomponente im Messsi-

nungssignal zugeführt wird und dem anderer Eingang das gnal, also die Ladung auf dem Messkondensator, tatsächlich breitbandige, vollständige Messsignal zugeführt wird und 65 über eine Leckimpedanz entladen, die für diese Wirkung vor-

dass die Schalteranordnung (S 1, S2) für den Kompensations- gesehen ist, aber vorher wird die im Messsignal durch diese kondensator (C3) durch das Ausgangssignal einer logischen Ladung verursachte Gleichspannungskomponente unmittel-

Entscheidungsschaltung (Bl) betätigbar ist. bar kompensiert und bleibt bis zum Verschwinden der La-

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dung kompensiert. Der hier verwendete Ausdruck «unmittel- führung nach den beiden oben genannten Patentanmeldun-bar» bedeutet innerhalb einer kurzen Zeit verglichen mit der gen, während die Bandbreite für den vorgesehenen Zweck geDauer einer Periode, die bei 50 Hz 20 ms beträgt. nügend breit ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Im Falle einer bevorzugten Ausführungsform des erfin-besteht die Kompensationseinrichtung aus einem Kompensa- 5 dungsgemässen Spannungsteilers wird die unerwünschte La-tionskondensator und einer parallel dazu liegenden Leckim- dung auf dem Messkondensator nicht innerhalb einer kurzen pedanz, deren gemeinsamer Anschluss mit der Bezugsspan- Zeit durch Kurzschliessen dieses Kondensators mit Hilfe einung verbunden ist; ferner ist ein Schalter zur Zuführung ei- nes Schalters eliminiert sondern es wird im Gegenteil die ner weiteren Bezugsspannung zum anderen gemeinsamen An- Gleichspannungskomponente auf dem Kondensator mit schluss des Kompensationskondensators mit der parallel zu io Hilfe einer beispielsweise ebenso hohen Spannung gleichen diesem liegenden Leckimpedanz vorgesehen, wobei dieser oder entgegengesetzten Potentials kompensiert, indem beide Schalter durch ein aus der wahren Gleichspannungskompo- Spannungen in einem Differenzverstärker kombiniert wer-nente abgeleitetes Signal gesteuert wird und der Wert der wei- den.

teren Bezugsspannung und der Zeitpunkt zum Einschalten Die Erfindung sei nun im einzelnen anhand der beiliegendes Schalters so gewählt werden, dass die Spannung am Kom- is den Zeichnungen erläutert, welche einige Ausführungsformen pensationskondensator die Gleichspannungskomponente im als Beispiele veranschaulichen. Es zeigen:

Messsignal schnell kompensiert; das Messsignal wird einem Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines kapazitiven

Eingang eines Differenzverstärkers zugeführt, an dessen an- Wechselspannungsteilers gemäss der Erfindung zusammen deren Eingang die Spannung am Kompensationskondensator mit der zugehörigen Steuereinrichtung;

gelegt wird, während das hinsichtlich der Gleichspannungs- 20 Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 abgewandelte Ausführungskomponente kompensierte Ausgangssignal der Steuereinrich- form des erfindungsgemässen kapazitiven Wechselspan-

tung zugeführt wird. Betrachtet man Absolutwerte, so kann nungsteilers und die Spannung am Kompensationskondensator gleich der Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform, bei welcher ein wahren Gleichspannungskomponente am Messkondensator zweiter Differenzverstärker hinzugefügt ist.

gemacht werden. Der Differenzverstärker kann dann für 25 Wie bei der bekannten Anordnung und den Anordnungen beide Signale einen Verstärkungsfaktor 1 haben. gemäss den vorerwähnten Patentanmeldungen der Anmelde-

Es sei darauf hingewiesen, dass in den niederländischen rin liegt zwischen der Primärspannung Vp und einer Bezugs-

Patentanmeldungen Nr. 7 711 655 und 7 802 969 derselben Spannung ein kapazitiver Wechselspannungsteiler mit der

Anmelderin ein kapazitiver Wechselspannungsteiler mit ei- Reihenschaltung von Kondensatoren Cl und C2 und einer nem zusätzlichen Kondensator vorgeschlagen ist, mit Hilfe 30 parallelgeschalteten Leckimpedanz Rl. Der Wert dieser dessen zwei getrennte Signale ereugt werden, nämlich ein Leckimpedanz Rl ist so gross gewählt dass der Phasenfehler schmalbandiges Grundwellensignal, welches also der wahren im Signal am Verbindungspunkt von Cl uad C2 vernachläs-

Wechselspannungskomponente entspricht, und ein breitban- . sigt ist oder leicht für die Wechselspannungsfrequenz kom-

diges Signal, das auch die Gleichspannungskomponente ent- pensiert werden kann.

hält. Beide können als Steuersignal dienen, während das letzt- 35 Unter der Annahme, dass die Phasenkorrektur weggelas-genannte als Messsignal für Überwachungs- oder Schutz- sen wird, durchläuft das Signal am Verbindungspunkt der zwecke benutzt werden kann. Die Steuersignale bewirken, Kondensatoren Cl und C2 bei dieser Ausführungsform zu-dass die Steuereinrichtung Gleichspannungskomponenten nächst einen Verstärker V], der hier ein Differenzverstärker eliminiert, die möglicherweise im Breitbandsignal vorhanden ist, und danach erscheint das Signal unmittelbar als das Messsein können. Die in diesen beiden Patentanmeldungen offen- 40 signal B am Eingang 2 einer Vergleichsschaltung D. Das Ausbarten Verfahren, zwei mehr oder weniger unabhängige Ka- gangssignal des Verstärkers V, wird ausserdem einem Gleich-näle mit Hilfe eines Hochspannungskondensators zu erhal- spannungssperrfilter F1 zugeführt und erscheint danach am ten, können Schwierigkeiten in bestimmten Fällen hinsieht- ersten Eingang 1 der Vergleichsschaltung D als schmalbandi-lich des Übersprechens oder der praktischen Realisierbarkeit ges Grundwellensignal A. In der Vergleichsschaltung D wer-begegnen. Zwar lässt sich durch geeignete Wahl der Kapazi- 45 den die beiden Signale miteinander verglichen, um die Grösse täten ein hohes Mass an Unabhängigkeit zwischen den beiden der Gleichspannungskomponente im breitbandigen Messsi-erwähnten Signalen erreichen, jedoch besteht nach wie vor gnal B zu bestimmen.

Bedürfnis nach einem kapazitiven Wechselspannungsteiler, In diesem Fall enthält eine Kompensationseinrichtung mit dem sich eine vollständige Unabhängigkeit realisieren den bereits erwähnten Differenzverstärker V], einen Kompen-lässt. Diese Unabhängigkeit kann man zwar mit Hilfe eines 50 sationskondensator C3 mit einer parallel zu ihm geschalteten Doppelspannungsteilers erreichen, wie dies auch in den er- Leckimpedanz R2 sowie eine Anzahl zusätzlicher Widerwähnten Patentanmeldungen ausgeführt ist, jedoch können stände R3 und R4 und Schalter S1 und S2.

sich dabei praktische Bedenken ergeben, insbesondere auch, Der eine Verbindungspunkt des Kompensationskonden-wenn der Messkondensator eine beträchtliche Kapazität hat: sators C3 mit der Leckimpedanz R2 ist an eine Bezugsspan-dann ergeben sich nämlich Probleme bei der allgemein bevor- 55 nung angeschlossen, welche in diesem Beispiel ebenfalls Erde zugten Verwendung von Halbleiterschaltern, weil die Schalt- sein kann. Der andere Verbindungspunkt liegt am zweiten ströme zu gross werden. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn Eingang des Differenzverstärkers V,. An diesem anderen Veralte CVT-Messeinrichtungen auf den neuen Stand gebracht bindungspunkt sind auch die beiden Widerstände R3 und R4 werden sollen, wobei ein grosser zusätzlicher Kondensator in angeschlossen, von denen jeder für sich über die Schalter S1 die Reihenschaltung eingefügt werden muss, damit ein zusätz-60 bzw. S2 an verschiedene Verbindungsleitungen angeschlossen licher Messpunkt geschaffen wird. In der Praxis ist es dann ist, die ihrerseits an zusätzlichen Bezugsspannungen Vrefl bzw. vorteilhafter, eine feste Leckimpedanz zu verwenden. Vreß geführt sind. Die Schalter S1 und S2 können durch das Eine Eigenschaft des erfindungsgemässen kapazitiven Ausgangssignal der Vergleichsschaltung D betätigt werden, Wechselspannungsteilers liegt nun sowohl in einer vereinfach- welches als Signal angesehen werden kann, das von der ten praktischen Realisierbarkeit als auch einer vollständigen 65 Grösse der Gleichspannungskomponente abhängig ist, die Unabhängigkeit der beiden oben erwähnten Signale. Die Ge- durch die Vergleichsschaltung D bestimmt wird. Diese schwindigkeit der Steuerung des erfindungsgemässen Span- Gleichspannungskomponente wird zunächst einer logischen nungsteilers ist mindestens gleich derjenigen der besten Aus- Entscheidungsschaltung B1 zugeführt, welche eine Anzahl

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von Ausgängen aufweist. An jedem dieser Ausgänge erscheint im allgemeinen gleich sind. Nach Ermittlung einer Gleichein Signal entsprechend einer vorbestimmten Grösse und Po- spannungskomponente im breitbandigen Signal wird der larität der Gleichspannungskomponente, und eines dieser Schalter S1 geschlossen, wobei C3 schnell auf die Differenz-Ausgangssignale kann die Schalter S1 bzw. S2 einschalten, Spannung, also die Ausgangsspannung der Vergleichsschal-worauf die weitere Bezugsspannung Vrefl oder Vrcf2 dem Ver- s tung D, aufgeladen wird. Die Gleichspannungskomponente bindungspunkt des Kompensationskondensators C3 mit der im breitbandigen Messsignal ist dann kompensiert, und S1 Leckimpedanz R2 zugeführt wird, die mit dem Differenzver- wird wieder geöffnet. Die Kondensatoren C2 und C3 werden stärker Vi verbunden sind. Auf dem Kompensationskonden- mit derselben Geschwindigkeit wieder entladen.

sator C3 wird dadurch eine so grosse Gleichspannung aufge- Wenn der Kondensator C3 durch Schliessen eines der baut wie sie am Kondensator C2 vorhanden ist. Der Aufbau io Schalter SI, S2 auf die zugehörige Bezugsspannung geladen dieser Kompensationsspannung hängt vom Wert der Wider- wird, dann treten Übergangserscheinungen auf. Diese durch stände R3 und R4 ab, und diese Werte werden in dieser Hin- die Aufladung von C3 bedingten Schaltvorgänge können je-

sicht und entsprechend der gewünschten Kompensations- doch auch über den Differenzverstärker V2 das reine Wech-

geschwindigkeit gewählt. Dasselbe gilt für die Grösse der Be- selspannungssignal A erreichen welches dem Eingang 1 der zugsspannungen Vrefl und Vref2. is Vergleichsschaltung D über das Gleichspannungssperrfilter

Wenn die Gleichspannungen an den Kondensatoren C2 Fl zugeführt wird. Dieser Nachteil lässt sich vermeiden durch und C3 gleich geworden sind, dann enthält das Ausgangssi- Zufügung eines zweiten Differenzverstärkers V2 und durch gnal des Differenzverstärkers V,, also das gewünschte Messsi- Abzweigung des Summierungspunktes ausschliesslich zum gnal, keine Gleichspannungskomponente mehr. Die beiden Zweig des breitbandigen Signals, das dem Eingang 2 der Verden Eingängen 1 und 2 der Vergleichsschaltung D zugeführ- 20 gleichsschaltung D zugeführt wird. In diesem Falle dient der ten Signale bestehen jetzt nur noch aus dem reinen Wechsel- Differenzverstärker V2 als Pufferverstärker. Die durch die spannungssignal. Daher stellt die Vergleichsschaltung D schnelle Aufladung von C3 bedingten Ausgleichsvorgänge keine Gleichspannungskomponente mehr fest, so dass die treten dann nur im letztgenannten Signal auf und nicht in Schalter Sì und/oder S2 wieder geöffnet werden. dem anderen Eingang der Vergleichsschaltung D über das

Es ist bereits vorstehend gezeigt worden, dass über dem 25 Sperrfilter Fl zugeführten Signal. Daher ist dieses Signal im-

Kompensationskondensator C3 eine Leckimpedanz R2 vor- mer ein genaueres schmalbandiges Grundwellensignal als bei gesehen ist. Die Leckimpedanz Rl über dem Messkondensa- den früheren Ausführungen bei denen nach der Filterung im tor C2 hat einen so grossen Wert, dass die Grenzfrequenz ge- Gleichspannungssperrfilter Fl dennoch restliche Ausgleichs-

nügend weit unterhalb der Frequenz der zu messenden Wech- Vorgänge im Signal A auftreten konnten, wenn die Band-selspannung liegt, damit die eingeführten Phasen- und Ampli-30 breite des Gleichspannungssperrfilters Fl nicht besonders tudenfehler nur klein sind. Hieraus ergibt sich aber eine klein ist.

grosse Zeitkonstante. Daher entlädt sich C2 langsam über Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 1 ebenso wie bei Rl, so dass die Gleichspannungskomponente am Verbin- . den anderen Ausführungsformen kann der Verstärkungsfak-

dungspunkt von Cl und C2 allmählich abnimmt. tor des Differenzverstärkers VI 1 betragen.

Der Kondensator C3 kann sich über die Leckimpedanz 35 Es versteht sich von selbst, dass die Ladeschaltungen für R2 entladen, welche vorzugsweise so bemessen ist, dass die den Kondensator C3 welche hier durch die Schalter S1 und S2 Zeitkonstante R2, C3 ebenso gross wie die Zeitkonstante Rl, bzw. die Widerstände R3 und R4 veranschaulicht sind, viel-C2 ist. Nach Aufladung von C3 auf die korrekte Kompensa- fach abgewandelt werden können, wie dies in den eingangs tionsspannung sind prinzipiell keine weiteren Korrekturen bereits erwähnten niederländischen Patentanmeldungen ausmehr erforderlich, weil C2 ebenso wie C3 sich über ihre zuge- 40 geführt ist.

hörigen Leckimpedanzen Rl bzw. R2 entlang ähnlicher Ver- Die bedeutenden Vorteile der erfindungsgemässen Anord-läufe entladen. Im Falle ungleicher Zeitkonstanten treten nung liegen darin, dass die Betriebseigenschaften, also die Ar-nach einiger Zeit Korrekturen auf, die eine vorständige Kom- beitsgeschwindigkeit, mindestens die gleichen wie im Falle ei-pensation aufrechterhalten. ner Anordnung mit zwei parallelen kapazitiven Wechselspan-Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 2 wird nur ein « nungsteilern, etwa gemäss Fig. 7 der niederländischen Patent-Schalter S1 verwendet, welcher dem Kondensator C3 über anmeldung 7 711 655, sind. Darüber hinaus kann ein Span-den Widerstand R3 eine Bezugsspannung zuführt. In diesem nungsteiler gemäss der Erfindung aber zu einem bereits vor-Falle ist die Bezugsspannung die Differenz zwischen dem handenen Spannungsteiler hinzugefügt werden ohne dass we-breitbandigen Messsignal B, also dem Signal mit der reinen sentliche Änderungen des Spannungsteilers als solchem erfor-Wechselspannungskomponente und der Gleichspannungs- 50 derlich wären, während demgegenüber erhebliche Abwandkomponente, und dem durch das Gleichspannungssperrfilter lungen beispielsweise im Falle des Spannungsteilers nach der Fl zugeführten Signal, also der reinen Wechselspannungs- niederländischen Patentanmeldung 7 711 655 erforderlich komponente A. Das bedeutet, dass Vref und die durch die Ver- sind.

gleichsschaltung D abgeleitete Gleichspannungskomponente

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1 Blatt Zeichnungen