CH660923A5 - Vorrichtung zur messung der spannung eines hochspannungfuehrenden teils. - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Messung der Spannung eines hochspannungsführenden Teils, wie sie in gekapselten, druckgasisolierten Hochspannungsanlagen, vor allem bei Spannungen von mehr als 100 kV, zur Messung der Spannung von wechselstromführenden Leitern eingesetzt wird. Dabei ist in einem Gasraum zwischen einer die zu messende Spannung führenden Hochspannungselektrode und einer geerdeten Niederspannungselektrode eine Messelektrode angeordet. Die zwischen der Hochspannungselektrode und der Messelektrode liegende Hochspannungskapazität und die zwischen der Messelektrode und Erde liegende Niederspannungskapazität bilden einen kapazitiven Spannungsteiler, welcher die zu messende Hochspannung analog auf eine in einem tieferen Spannungsbereich liegenden Ausgangsspannung abbildet, welche zur Speisung einer Messelektronik oder von Messinstrumenten geeignet ist. Das Übersetzungsverhältnis, d.h. der Quotient zwischen Ausgangsspannung und Hochspannung entspricht dabei etwa dem Quotienten zwischen Hochspannungskapazität und Niederspannungskapazität.
Vorrichtungen gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 sind z.B. aus «Technical Information Series No. 77 CRD 111, May 1977 : New Techniques for Current and Voltage Measu-rement on Power Transmission Lines», S. 5 f der General Electric Company und «Smit-Mededelingen No. 4,1969: The ESPOM, a capacitor-coupled eletronic voltage transformer» der Smit Nijmegen Electrotechnische Fabrieken N.V. bekannt.
Bei den dort beschriebenen kapazitiven Spannungswandlern sind die Messelektrode und die Niederspannungselektrode nur durch einen isoliergasgefüllten Spalt getrennt, welcher im Vergleich mit den Abmessungen der Elektroden sehr schmal sein muss, soll die Niederspannungskapazität gross genug sein zur Erzielung eines hinreichend kleinen Übersetzungsverhältnisses, zumal dieselbe ausschliesslich durch die zwischen der Messelektronik und der Niederspannungselektrode liegende Kapazität gebildet wird.
Bei derartigen Spannungswandlern hängt die Niederspannungskapazität in sehr empfindlicher Weise von der Geometrie der Messelektrode sowie der Niederspannungselektrode und deren gegenseitiger Lage ab. Geringfügige Veränderungen der Form oder Ausdehnung einer dieser Elektroden, etwa durch Temperaturschwankungen, oder eine geringfügige relative Verschiebung derselben schlagen sich in verhältnismässig drastischen Änderungen des Übersetzungsverhältnisses nieder. Soll der Spannungswandler hohen Genauigkeitsanforderungen genügen, sind die Anforderungen bezüglich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien, der mechanischen Stabilität der Konstruktion und der Präzision bei Fertigung und Montage entsprechend hoch und der Spannungswandler entsprechend teuer.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie im unabhängigen Anspruch gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Messung der Spannung eines hochspannungführenden Teils zu schaffen, die über einen weiten Bereich von Randbedingungen eine hohe Messgenauigkeit aufweist und bei der sich die Anforderungen an Qualität des Materials, mechanische Stabilität und Präzision bei Fertigung und Montage in vertretbaren Grenzen halten.
Die durch die Erfindung erzielten Vorteile sind vor allem darin zu sehen, dass die Kapazitäten, die empfindlich von nur schwer kontrollierbaren geometrischen Parametern abhängen, auf das Übersetzungsverhältnis des Spannungsteilers nur verhältnismässig geringen Einfluss haben. Die zulässigen Toleranzen sind deshalb erheblich grösser, wodurch sich die Herstellung des Spannungswandlers wesentlich verbilligt.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einer nur einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnung und eines Schaltbildes dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung und
Fig. 2 ein Ersatzscheinbild, in dem die in der erfindungs-gemässen Vorrichtung auftretenden Kapazitäten und sonstigen Impedanzen dargestellt sind.
In Fig. 1 ist ein kapazitiver Spannungswandler dargestellt, welcher in seinem grundsätzlichen Aufbau eine Hochspannungselektrode enthält, welche von einem Abschnitt eines als gerades Leiterrohr ausgebildeten Innenleiters 1 gebildet wird, eine zugleich einen Teil eines Gehäuses 2 bildende, den Innenleiter 1 koaxial umgebende Niederspannungselektrode 3, welche einen Gasraum 4 teilweise umschliesst, und eine im Gasraum 4 angeordnete, zylindermantelförmige, den Innenleiter gleichfalls koaxial umgebende Messeleketrode 5. Die an der Messelektrode 5 abgegriffene Spannung wird an eine Signalverarbeitungseinrichtung 6 weitergeleitet, welche vorzugsweise als Messelektronik, welche das Messignal digital oder analog verarbeitet, ausgebildet ist. Eine derartige Messelektronik ist z.B. in DE-OS 2 816 647 beschrieben.
Erfindungsgemäss ist, zwischen der Niederspannungselektrode 3 und der Messelektrode 5, im Gasraum 4 eine Guard-Elektrode 7 angeordnet und zwischen die Messelektrode 5 und Erde ein Zusatzkondensator, der hohen Anforderungen bezüglich Stabilität genügt, gelegt. Die Guard-Elektrode 7 weist drei zylindermantelförmige, den Innenleiter 1 koaxial umgebende Teile auf, einen ersten Teil 8, welcher die Aus-senseite der Messelelektrode 5 umgibt und einen zweiten und einen dritten Teil 9a bzw. 9b, welche den gleichen Durchmesser aufweisen wie die Messelektrode 5 und, jeweils in der Fortsetzung in axialer Richtung derselben liegend, beidseitig an den ersten Teil 8 anschliessen. Die Verbindung zwischen dem ersten Teil 8 und dem zweiten Teil 9a bzw. dem dritten Teil 9b ist durch kreisringförmige Teile 10a bzw. 10b hergestellt. Der Zusatzkondensator ist als Plattenkondensator 11 ausgebildet und in einem Behälter 12 untergebracht, welcher mit dem Gasraum 4 in Verbindung steht. Die Guard-Elektrode 7 ist mit einer Elektrode eines Ergänzungskondensators 13 elektrisch leitend verbunden, dessen andere Elektrode geerdet ist. Der Ergänzungskondensator 13 kann z.B. als Glimmerkondensator ausgebildet sein. Die Gurd-Elektrode 7 ist ausserdem über eine Kompensationseinrichtung 14 geerdet. Die Messelektrode 5 ist durch Isolierteile 15a, 15b an der Guard-Elektrode 7 und diese über Isolierteile 16a, 16b an der Niederspannungselektrode 3 abgestützt.
Fig. 2 zeigt eine Ersatzschaltung, in der die in der erfin-dungsgemässen Vorrichtung auftretenden Kapazitäten und sonstigen Impedanzen dargestellt sind. In dieser Ersatzschaltung repräsentieren die mit Ziffern bezeichneten Punkte die in Fig. 1 mit der gleichen Ziffer bezeichneten Teile des Spannungswandlers und tragen die an denselben liegenden Potentiale. Entsprechend stellen Cisund Cn die Kapazitäten zwischen dem Innenleiter 1 und der Messelektrode 5 bzw. der Guard-Elektrode 7 dar, C35 und C37 diejenigen zwischen der Niederspannungselektrode 3 und der Messelektrode 5 bzw. der Guard-Elektrode 7, desgleichen steht C57 für die Kapazität zwischen der Messelektrode 5 und der Guard-Elektrode 7. Cp und Ce repräsentieren die Kapazitäten des Plattenkon-sensators 11 bzw. des Ergänzungskondensators 13, Zsdie Eingangsimpedanz der Signalverarbeitungseinrichtung 6 und Zk die Impedanz der Kompensationseinrichtung 14.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung enthält zwei parallele kapazitive Spannungsteiler, einen ersten, welcher durch die Kapazität C15 zwischen dem Innenleiter 1 und der Messelektrode 5 als Hochspannungskapazität und die Kapazität der Messelektrode 5 gegen Erde einschliesslich der Kapazität Cp des Plattenkondensators 11 als Niederspannungskapazität, und einen zweiten, der durch die Kapazität Cn zwischen dem Innenleiter 1 und der Guard-Elektrode 7 als Hochspannungskapazität und die Kapazität der Guard-Elektrode 7 gegen Erde einschliesslich der Kapazität Ce des Ergänzungskondensators 13 als Niederspannungskapazität gebildet wird. Die beiden Spannungsteiler sind durch die Kapazität C57 zwischen der Messelektrode 5 und der Guard-Elektrode 7 gekoppelt.
Am ersten Spannungsteiler wird, an der Messelektrode 5, die Ausgangsspannung abgegriffen. Dank der Abschirmung durch die zwischen diesen beiden Elektroden liegende Guard-Elektrode 7 ist die Kapazität C35 zwischen der Niederspannungselektrode 3 und der Messelektrode 5 sehr klein. Die für das Übersetzungsverhältnis des Spannungsteilers massgebliche Niederspannungskapazität wird fast ausschliesslich durch die Kapazität Cp des Plattenkondensators 11 gebildet. Aus der geringfügigen Rolle, welche die Kapazität C35 zwischen der Niederspannungselektrode 3 und der Messelektrode 5 spielt, ergibt sich, da die Hochspannungskapazität C15 zwischen dem Innenleiter 1 und der Messelektrode 5 weniger empfindlich von Montagetoleranzen abhängt, eine wesentlich verbesserte Stabilität des Übersetzungsverhältnisses gegenüber Toleranzen der Geometrie der Niederspannungselektrode 3 und der Messelektrode 5 sowie deren relativer Lage. Hohe Temperaturstabilität des Übersetzungsverhältnisses ist insbesondere dann gegeben, wenn das Innere des Behälters 12, in dem sich der Plattenkondensator 11 befindet, mit dem Gasraum 4 in Verbindung steht, da sich dann durch Temperatur- oder auch Dichteschwankungen bewirkte Schwankungen der Dielektrizitätskonstante des Isoliergases nicht auswirken können.
Die Kopplung des ersten Spannungsteilers durch die gegenüber geometrischen Toleranzen verhältnismässig empfindliche Kapazität C57 zwischen der Messelektrode 5 und der Guard-Elektrode 7 an den zweiten Spannungsteiler, welcher mit der Kapazität zwischen der Niederspannungselektrode 3 und der Guard-Elektrode 7 eine ebenfalls geometrischen Toleranzen gegenüber empfindliche Kapazität aufweist, könnte, falls über die Kapazität Cs^ zwischen der Messelektrode 5 und der Guard-Elektrode 7 ein gegenüber dem über die Kapazität Cts zwischen dem Innenleiter 1 und der Messelektrode 5 fliessenden Strom nicht vernachlässigbarer Strom flösse, das Messergebnis von den obengenannten Kapazitäten C57 und C37 und damit wiederum empfindlich von geometrischen Parametern abhängig machen. Ein solcher störender Einfluss ist jedoch unterbunden, falls die Kapazität C37 zwischen der Niederspannungselektrode 3 und der Guard-Elektrode 7 durch die Kapazität Ce des Ergänzungskondensators 13 ergänzt und derselbe derart bemessen ist, dass das Übersetzungsverhältnis des zweiten Spannungsteilers ungefähr gleich dem Übersetzungsverhältnis des ersten Spannungsteilers ist. Dadurch liegt an der Messelektrode 5 und an der Guard-Elektrode 7 etwa das gleiche Potential und der über die Kapazität C57 zwischen diesen beiden Elektroden fliessende Strom ist vernachlässigbar klein. Die bei der gattungsgemässen Vorrichtung besonders kritisch von geometrischen Parametern abhängende Kapazität zwischen der Messelektrode und der dieselbe aussen umgebenden Elektrode, welche bei den bekannten Spannungswandlern die Ausgangsspannung stark beeinflusst, beeinflusst dann bei der erfindungsgemässen Vorrichtung die Ausgangsspannung kaum, da an der die Messelektrode aussen umgebende Elektrode, in diesem Fall der Guard-Elektrode, etwa das gleiche Potential liegt wie an der Messelektrode und daher über die kritische Kapazität kaum Strom fliesst.
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Damit die ungefähre Gleichheit der Potentiale an der Messelektrode 5 und der Guard-Elektrode 7 auch während tran-sienter Vorgänge gewahrt bleibt, ist die Guard-Elektrode 7 über die Kompensationseinrichtung 14 geerdet, deren Impedanz Zk derart bemessen ist, dass die Zeitkonstanten für die Entladungen der Messelektrode 5 und der Guard-Elektrode 7 annähernd gleich sind.
Die zulässige Abweichung des Übersetzungsverhältnisses des zweiten von dem des ersten Spannungsteilers hängt von den Anforderungen an die Genauigkeit des Spannungswandlers, der Stärke der Kopplung, d.h. der Grösse der Kapazität C57 zwischen der Messelektrode 5 und der Guard-Elektrode 7 und anderen Parametern ab. Im allgemeinen sind, bei optimaler geometrischer Auslegung, Abweichungen von ± 20% tolerierbar. Jedenfalls sind die Anforderungen an die Stabilität der Kapazitäten beim zweiten Spannungsteiler wesentlich geringer als beim ersten Spannungsteiler. Der Ergänzungskondensator 13 kann deshalb auch, wie bereits erwähnt, z.B. als Glimmerkondensator ausgebildet und ausserhalb des Gehäuses angeordnet sein.
Theoretisch wäre es auch möglich, den Ergänzungskondensator 13 wegzulassen und die Guard-Elektrode 7 an den Ausgang eines Verstärkers mit Verstärkung + 1 anzu-schliessen, an dessen Eingang die an der Messelektrode 5
abgegriffene Ausgangsspannung liegt. Diese Methode wäre allerdings wegen der relativ hohen Spannungen an Messelektrode und Guard-Elektrode ziemlich aufwendig, ausserdem im Frequenzbereich eingeschränkt und deshalb z.B. die s Erfassung von Transienten beeinträchtigt.
Die spezielle Geometrie des hier beschriebenen Spannungswandlers, bei dem Teile 9a, 9b der Guard-Elektrode 7 in der Fortsetzung in axialer Richtung der Messelektrode 5 angeordnet sind, bewirkt eine homogene Feldverteilung im Bereich der Messelektrode 5 und verringert die Empfindlichkeit der Kapazitäten gegenüber axialen Verschiebungen der Elektroden. Dadurch, dass Teile der Innenwand der Niederspannungselektrode 3 jeweils in der Fortsetzung der besagten Teile 9a, 9b der Guard-Elektrode 7 liegen, wird dieser Effekt noch verstärkt.
Die Homogenität der Feldverteilung ist bei kapazitiven Spannungswandlern des hier beschriebenen Typs, bei dem ein die Hochspannungselektrode bildender gerader Innenleiter von den übrigen Elektroden koaxial umgeben ist, besonders ausgeprägt. Es ist jedoch offensichtlich, dass die Erfindung auch bei anders aufgebauten kapazitiven Spannungsteilern, z.B. vom in der zweitgenannten Druckschrift beschriebenen Typ, vorteilhaft angewendet werden kann.
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1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Vorrichtung zur Messung der Spannung eines hochspannungführenden Teils einer gekapselten, druckgasisolierten Hochspannungsanlage, mit einem Gehäuse (2), welches einen Gasraum (4), der eine Hochspannungselektrode enthält, mindestens teilweise umschliesst, einer geerdeten, die Hochspannungselektrode wenigstens teilweise umgebenden Niederspannungselektrode (3), mit einer im wesentlichen zwischen der Hochspannungselektrode und der Niederspannungselektrode (3) im Gasraum (4) angeordneten Messelektrode (5) und mit einer Signalverarbeitungseinrichtung (6), an welche die an der Messelektrode (5) abgegriffene Spannung weitergeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie
- eine im Gasraum (4) angeordnete Guard-Elektrode (7) aufweist, von der zumindest ein Teil zwischen der Messelektrode (5) und der Niederspannungselektrode liegt,
- einen Zusatzkondensator aufweist, dessen eine Elektrode mit der Messelektrode (5) elektrisch leitend verbunden und dessen andere Elektrode geerdet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzkondensator als Plattenkondensator (11) ausgebildet und in einem Behälter ( 12) angeordnet ist, welcher mit dem Gasraum (4) in Verbindung steht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsverhältnis des durch die Kapazität zwischen der Hochspannungselektrode und der Guard-Elektrode (7) als Hochspannungskapazität und die Kapazität der Guard-Elektrode (7) gegen Erde als Niederspannungskapazität gebildeten Spannungsteilers vom Übersetzungsverhältnis des durch die Kapazität zwischen der Hochspannungselektrode und der Messelektrode (5) als Hochspannungskapazität und die Kapazität der Messelektrode (5) gegen Erde, einschliesslich der Kapazität des Zusatzkondensators, als Niederspannungskapazität gebildeten Spannungsteilers um weniger als 20%abweicht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Ergänzungskondensator (13) aufweist, dessen eine Elektrode mit der Guard-Elektrode (7) elektrisch leitend verbunden und dessen andere Elektrode geerdet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Guard-Elektrode (7) über eine Kompensationsvorrichtung(14) geerdet ist, deren Impedanz so bemessen ist, dass die Zeitkonstanten für die Entladungen der Messelektrode (5) und der Guard-Elektrode (7) wenigstens annähernd gleich sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Hochspannungselektrode von zylindrischer Form und einer zylindermantelförmig ausgebildeten, die Hochspannungselektrode koaxial umgebenden Messelektrode (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Guard-Elektrode drei zylindermantelförmige Teile aufweist, einen ersten Teil (8), welcher die Messelektrode (5) koaxial umgibt und in axialer Richtung beidseitig über sie hinausragt, und einen zweiten und einen dritten Teil (9a, 9b), welche jeweils den gleichen Durchmesser aufweisen wie die Messelektrode (5) und, koaxial zur Hochspannungselektrode, beidseitig an den ersten Teil anschliessen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederspannungselektrode (3) in axialer Richtung beiseitig über die Guard-Elektrode (7) hinausragt und ihre Innenwand an den über die Guard-Elektrode (7) hinausragenden Teilen wenigstens teilweise zylindermantelförmig ausgebildet ist, koaxial zur Hochspannungselektrode liegt und den gleichen Radius aufweist wie die Messelektrode (5).
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| DE4104921A1 (de) * | 1991-02-18 | 1992-08-20 | Asea Brown Boveri | Metallgekapselte gasisolierte hochspannungsanlage |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3243342A1 (de) | 1984-05-03 |
| JPS59119270A (ja) | 1984-07-10 |
| BE898089A (fr) | 1984-02-15 |
| SE454813B (sv) | 1988-05-30 |
| SE8305915D0 (sv) | 1983-10-27 |
| US4591783A (en) | 1986-05-27 |
| SE8305915L (sv) | 1984-04-30 |
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|---|---|---|---|
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