CH677035A5 - - Google Patents

Description

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CH 677 035 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Bestimmung des Scheitelwerts hoher Wechselspannungen mit einem Messkondensator, einem in Reihe geschalteten Messgrössenumformer mit einem Mésswïderstand R zur Erzeugung einer dem arithmetischen Mittelwert des Ladestromes i (t) des Messkondensators proportionalen Ausgangsspannung ui» mit einem dem Messgrössenumformer nachgeschalteten Spannungs-Frequenz-Wandler zur Bildung einer zur Ausgangsspannung ui proportionalen mittleren Impulsfolgefrequenz fm sowie mit einem Impulszähler, welchem die impulse mit der Frequenz fm durch eine Torschaltung für die Dauer einer vorwählbaren Anzahl von Perioden der Messspannung zugeführt werden und dessen Anzeige zum Scheitelwert der Messspannung direkt proportional ist.

Die Bestimmung des Scheitelwertes von hohen Wechselspannungen ist in der Hochspannungsmesstechnik insbesondere zur Beurteilung der Spannungsfestigkeit von Isolieranordnungen erforderlich. Als Normalmesseinrichtung zur Prüfung technischer Scheitelspannungsmesseinrichtungen ist ein Verfahren bekannt, bei welchem aus dem gleichgerichteten Ladestrom eines Hochspannungskondensators die Spannung von Scheitel zu Scheitel der zu messenden Hochspannung bestimmt werden kann. Voraussetzung für die richtige Messung ist, dass keine Zwischenmaxima der Wechselspannung auftreten. Die Messunsicherheit wird hauptsächlich durch die Kapazität des Messkondensators, das passive Netzwerk aus Gleichrichtern und Widerständen in der Erdleitung des Messkondensators sowie den Spannungs-Frequenz-Wandler bestimmt Die relative gesamte Messunsicherheit der bekannten Messeinrichtung beträgt 6*10-4 (W. Boeck: Eine Scheitelspannungs-Messeinrichtung erhöhter Messgenauigkeit mit digitaler Anzeige, ETZ 84 (1963) Seite 883). Die für die Anwendung als Normalmesseinrichtung zu grosse Messunsicherheit ist insbesondere durch parasitäre Kapazitäten, Spannungsabfälte am Gleichrichter und am Messwi-derstand sowie durch nichtlineare Bauelemente, wie Diode und Überspannungsableiter bedingt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung der einleitend beschriebenen Art so weiter zu entwickeln, dass die genannten Nachteile weitgehend vermieden werden und eine kleinere Messunsicherheit erreicht wird, damit eine Verwendung als Normalmesseinrichtung möglich ist.

Die Lösung der Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht. Wesentliche Bestandteile der neuen Messeinrichtung sind ein elektronischer Messgrössenumformer mit einem aktiven Strom-Spannungs-Wandler, eine aktive Gleichrichterschaltung sowie ein Nullspannungsdetektor. Aufgabe des elektronischen Messgrössenumformers ist die Umwandlung des Ladestromes des Messkondensators in eine Gleichspannung und die Erzeugung von Steuerimpulsen zum Öffnen der Torschaltung. Die Gleichspannung wird in bekannter Weise im Spannungs-Frequenz-

Wandler in Impulse umgesetzt, deren mittlere Pulsfrequenz ein Mass für den Scheitelwert der Messspannung ist. Durch Einsatz des aktiven Strom-Spannungs-Wandlers liegt die Niederspannungsklemme des Hochspannungsmesskondensators praktisch auf Potential Null. Da die gesamte Messspannung somit am Messkondensator liegt, können auch kleinere Spannungen im Bereich von 1 kV mit der gleichen geringen Messunsicherheit gemessen werden wie grössere Spannungen. Dies ist mit der bekannten Messeinrichtung wegen der Spannungsabfälle am Gleichrichter und am Messwiderstand nicht möglich. Da ausserdem der Einfluss der Kapazität des Verbindungskabels zwischen dem Messkondensator und der übrigen Messeinrichtung entfällt, wird die Messunsicherheit verringert. Auch die aktive Gleichrichterschaltung anstelle einer passiven Diode trägt zu einer verringerten Messunsicherheit bei. Die Messunsicherheit der gesamten Messeinrichtung beträgt 1*10-4.

Während bei der bekannten Messeinrichtung zur Steuerung der Torschaltung von der primärseitigen Spannung eines Hochspannungstransformators über zusätzliche aufwendige Kabel ein Signai abgegriffen werden musste, wird bei der neuen Messeinrichtung das entsprechende Steuersignal am Ausgang des Strom-Spannungs-Wandlers abgegriffen. Diese exakte Erfassung der Nulldurchgänge des Ladestromes trägt ebenfalls zur verringerten Messunsicherheit bei.

Vorteilhaft ist hierbei, dass der Zählvorgang stets zum Zeitpunkt der Nulldurchgänge der Gleichrichtspannung beginnt und endet, in den Nulldurchgängen sind die Abstände der zu zählenden Impulse grösser als zu den übrigen Zeiten, so dass Fehlzählungen durch endliche Öffnungs- und Schliesszeiten der Torschattung weitgehend ausgeschaltet sind.

Eine bevorzugte Ausführungsform der neuen Messeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Nullspannungsdetektor einen 90°-Phasenschie-ber zur Erfassung der Nulldurchgänge des Ladestromes und der Messspannung aufweist und je nach Ansteuerung der Torschaltung der positive oder negative Scheiteiwert vom Impulszähler angezeigt wird. Zur Steuerung und exakten Messung der Scheitelwerte müssen die Nulldurchgänge der Messspannung sowie die des Ladestromes erfasst werden. Die Ausgangsspannung des Strom-Spannungs-Wandlers ist proportional zum Ladestrom und eilt der Messspannung um 90° voraus. Der 90°-Phasenschieber liefert eine Spannung, deren Nulldurchgänge mit den Nulldurchgängen der Messspannung übereinstimmen.

Sowohl die Nulldurchgänge des Ladestromes als auch der Messspannung stehen zur Steuerung der Torschaltung zur Verfügung. Über Nullspannungs-komparatoren werden Rechtecksignale gewonnen, die über eine geeignete Logikschaltung - beispielsweise in Form eines Rechners-je nach Programmierung die Messung des positiven oder des negativen Scheitelwertes ermöglichen.

Zweckmässig ist es, am Eingang des Messgrössenumformers eine Überspannungsschutzschäi-tung vorzusehen. Hierdurch wird der elektronische

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Teil der Messeinrichtung gegen transiente Oberspannungen bei Über- oder Durchschlägen am Messkondensator oder am Prüfling geschützt. Abweichend von der bekannten Lösung ist die Überspannungsschutzschaltung wegen der praktisch auf Nullpotential liegenden Eingangsklemme des Messumformers ohne Einfluss auf den Fehler der Messeinrichtung.

Vorteilhaft ist es, die Gleichrichterschaltung als Vollweggleichrichter mit Präzisionsmesswiderständen und PIN-Silizium-Dioden auszurüsten. Durch ausgesuchte Messwiderstände mit niedrigen Temperaturkoeffizienten und Dioden mit kleiner Sperrschichtkapazität und gleichem Durchlassverhalten werden die Fehler des Gleichrichters minimiert. Durch die Vollweggleichrichtung und teilweise Glättung mit einem Kondensator hat das Ausgangssignal der Gleichrichterschaltung nur einen geringen Wechselspannungsanteil, so dass der nachgeschaltete Spannungs-Frequenz-Wandler eine zeitlich nur gering veränderliche Eingangsspannung erhält und somit nur geringe Anforderungen zu erfüllen braucht.

Eine weitere Ausführungsform ist durch eine Kalibriereinrichtung mit einer Gleichspannungsreferenzquelle und einem quarzgesteuerten Zeitgeber zur Ansteuerung der Torschaltung gekennzeichnet. Durch die weitgehende Frequenzunabhängigkeit der Messeinrichtung von 16 2/3 Hz bis 300 Hz ist eine Kalibrierung mit Gleichspannung bei definierter Toröffnungszeit möglich. Der quarzgesteuerte Zeitgeber dient hierbei zum Öffnen der Torschaltung. Durch die Frequenzunabhängigkeit der Messeinrichtung ergibt sich der besondere Vorteil, dass mit demselben Gerät auch hohe Gleichspannungen gemessen werden können.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Spannungs-Frequenz-Wandler und dem Impulszähler ein Rechner eingebaut ist, welcher die Torschaltung beinhaltet und diese in Abhängigkeit von der programmierten Betriebsart ansteuert. Der Rechner enthält eine Logikschaltung, welche auch die Funktionen der Torschaltung ausübt. Somit werden dem Rechner die Ausgangssignale des Nulldetektors und des Spannungs-Frequenz-Wandlers zugeführt. In Abhängigkeit vom gewünschten Komfort der Messeinrichtung kann der Rechner weitere Speicher- und Programmierfunktionen enthalten.

Die Erfindung wird anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung nachstehend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Ein Blockschaltbild der erfindungsgemäs-sen Messeinrichtung mit einem Hochspannungstransformator und einem Hochspannungskondensa-tor,

Fig. 2: ein Prinzipschaltbild des elektronischen Messumformers der Messeinrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3: in Abhängigkeit von der Zeit dargestellte Signal- und Impulsdiagramme der Messeinrichtung und

Fig. 4: das Blockschaltbild einer Messeinrichtung in einer gegenüber Fig. 1 erweiterten Ausführungsform, jedoch ohne Darstellung des Hochspannungstransformators und des Messkondensators.

Zur Messung des Scheitelwertes hoher Wechselspannungen bis zu einigen 100 kV wird eine Messeinrichtung beschrieben, die als Normalmesseinrichtung geeignet ist und zur Kalibrierung im Prüffeld verwendeter Messeinrichtungen dient, welche für den Frequenzbereich von 16 2/3 Hz bis 300 Hz und nach einem anderen Messprinzip aufgebaut sind.

Die in Fig. 1 dargestellte Messeinrichtung arbeitet nach dem Prinzip von Chubb-Fortescue. Die Nachteile der nach diesem Prinzip aufgebauten Messeinrichtungen, insbesondere die Messfehler bei Zwischenmaxima der zu messenden Wechselspannung sowie Spannungsabfälle an Dioden, Überspannungsableitern und dem Messwiderstand, werden bei der neuen Messeinrichtung weitgehend vermieden. Bei dieser in Fig. 1 dargestellten Messeinrichtung wird die von einem Transformator 1 erzeugte Hochspannung u (t) an einen für diese zu messende Hochspannung ausgelegten Messkondensator C gelegt. Die Niederspannungsklemme 2 des Messkondensators C wird über eine Überspannungsschutzschaltung 3 dem Eingang eines elektronischen Messgrössenumformers 4 zugeführt.

Der Messgrössenumformer 4 besteht aus einem aktiven Strom-Spannungs-Wandler 5 mit einem Messwiderstand R Im Rückkopplungszweig, einer nachgeschalteten aktiven Gleichrichterschaltung 6 sowie einem Nullspannungsdetektor 7. Der Gleichrichterschaltung 6 ist ein Spannungs-Fre-quenz-Wandler 8 nachgeordnet. Die Ausgangssignale des Nullspannungsdetektors 7 und des Span-nungs-Frequenz-Wandlers 8 werden einer Torschaltung 9 zugeführt, welche einen Impulszähler 10 mit einer Digitalanzeige 11 ansteuert. Weiterhin kann eine Kalibriereinrichtung 12 mit einer Gleichspannungsreferenzquelle und einem quarzgesteuerten Zeitgeber zur Ansteuerung der Torschaltung mit dem Eingang der Messeinrichtung verbunden werden.

Der Ladestrom i(t) = C*du/dt des Messkondensators C gelangt in den Strom-Spannungs-Wandler 5, wo er in eine proportionale Ausgangsspannung ui(t) = R*i(t) umgewandelt wird. Der Messwiderstand R ist gemäss Fig. 2 im Rückkopplungszweig eines Operationsverstärkers OP1 angeordnet. Der Eingang des Strom-Spannungs-Wandlers 5 und damit auch die Niederspannungsklemme 2 des Messkondensators C liegen praktisch auf Nullpotential, da die wirksame Eingangsimpedanz, die sich aus dem Messwiderstand R, dividiert durch die hohe Leerlaufverstärkung des Operationsverstärkers OP1 ergibt, sehr klein ist. Da stets die gesamte Messspannung am Messkondensator C liegt, können auch kleinere Spannungen im Bereich von 1 kV mit der gleichen geringen Messunsicherheit gemessen werden, wie grosse Spannungen.

Die als Vollweggleichrichter ausgebildete Gleichrichterschaltung 6 enthält ausgesuchte Zeranin-Messwiderstände Ri, R2 (Präzisionswiderstände) mit niedrigen Temperaturkoeffizienten und PIN-Siii-zium-Dioden Dt, D2 mit kleiner Sperrschichtkapazität und gleichem Durchlassverhalten. Der Operationsverstärker OP2 in Fig. 2 Ist driftkompensiert und so geschaltet, dass die Totzeit beim Stromüber-

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gang von einer Diode Dt, Dz auf die andere vernachlässigbar ist. Der Operationsverstärker OP3 ist ohne den Kondensator Ct ein Additionsverstärker und liefert die Spannung des idealen Vollweggleichrichters. Mit dem Kondensator Ci erhält man am Ausgang von OP3 eine Spannung ut, die nur einen geringen Wechselspannungsanteil enthält. Der arithmetische Mittelwert üi der Gleichrichterspannung wird im Spannungsfrequenzwandler 8 durch Umwandlung in Impulse der mittleren Pulsfrequenz fm = A*ïït gebildet. Hierbei ist A der Umwandlungsfaktor des Spannungs-Frequenz-Wandlers. Zur Öffnung der Torschaltung 9 für eine Anzahl p Perioden der Hochspannung werden im Nullspannungsdetektor 7 des Messgrössenumformers 4 Impulse aus den Nulldurchgängen der Spannung ui (t) abgeleitet Innerhalb der Toröffnungszeiten werden N = p*Wf Impulse des Spannungs-Frequenz-Wand-lers 8 dem Impulszähler 10 zugeführt. Die Anzahl N der eingegangenen Impulse wird in der Anzeige 11 digital dargestellt. Der Scheitelwert der zu messenden Hochspannung ergibt sich damit unmitttelbar aus der Anzeige N zu Û = N/4pARC.

Die Überspannungsschutzschaltung 3 schützt die Elektronik, insbesondere den Messgrössenumformer 4, gegen transiente Überspannungen. Die Überspannungsschutzschaltung 3 ist nach dem Prinzip der Mehrfachableitung aufgebaut. Hierbei wird im Störfall der Strom durch ein Feinschutzele-ment begrenzt und ein Gasabieiter gezündet Diese Überspannungsschutzschaltung 3 ist sowohl in der Signalleitung 13 als auch in der Schirmleitung 14 des Kondensators 0 eingebaut, da im Augenblick eines Über- oder Durchschtags durch Erdungsinduktivitäten Spannungen bis zu einigen kV auf der Schirmleitung 14 auftreten können. Gasabieiter, Varistoren und Filter in der Netzversorgung verhindern, dass Überspannungen über die Versorgungsleitung und das Netzteil in die elektronische Schaltung gelangen.

Durch die Frequenzunabhängigkeit der Messeinrichtung im Frequenzbereich von 16 2/3 Hz bis 300 Hz ist eine Kalibrierung ausser mit Wechsel- auch mit Gleichstrom bei definierter Toröffnungszeit möglich, Um von externen Kalibrierquellen unabhängig zu sein, enthält das Messgerät eine Gleichstrom-Referenzquelle und einen quarzgesteuerten Zeitgeber zum Öffnen der Torschaltung. Damit lässt sich die Messeinrichtung jederzeit bei 0,1% und 100% des Messbereichsendwerts kalibrieren.

Der zeitliche Ablauf eines Messzyklus ist Fig. 3 zu entnehmen. Zur besseren Darstellung wurde hierbei die Wirkung des Kondensators Ci in der Gleichrichterschaltung 6 vernachlässigt Zum Zeitpunkt der Nulldurchgänge des Ladestromes i (t) des Messkondensators G wird das Tor geöffnet bzw. geschlossen, so dass während der Toröffnungszeit die Impulse dem Impulszähler 10 zugeführt werden. In den Nulldurchgängen sind die Abstände der zu zählenden Impulse grösser als zu anderen Zeiten, so dass Fehlzählungen durch endliche Öffnungsund Schliesszeiten der Torschaltung 9 weitgehend ausgeschaltet sind.

Die in Fig. 4 dargestellte erweiterte Ausführungsform der Messeinrichtung ist ohne Hochspannungstransformator 1 und auch ohne Messkondensator C gemäss Fig. 1 dargestellt Abweichend von der Ausführungsform nach Fig. 1 enthält der Nullspannungsdetektor der Messeinrichtung nach Fig. 4 einen 90°-Phasenschieber 15, dem ein Nullspan-nungskomparator 16 nachgeschaltet ist Durch die Phasendrehung stehen neben den Nulldurchgängen des Ladestromes auch die Nulldurchgänge der Eingangsspannung zur Weiterverarbeitung zur Verfügung. Uber die Nullspannungskomparatoren 14 und 16 werden Rechtecksignale gewonnen, die zur Steuerung eines Rechners 18 dienen, welcher auch die Funktion der Torschaltung 9 gemäss Fig. 1 beinhaltet. Durch geeignete Programmierung des Rechners 18 können wahlweise der positive Scheitelwert, der negative Scheitelwert oder der Mittelwert aus positivem und negativem Scheitelwert gemessen und von der Anzeige 11 des Impulszählers 10 angezeigt werden. Im Rechner 18 werden store- und re-set-Signale gebildet, die nach einer Messung den Wert in die Anzeige bringen und den Impulszähler für eine neue Messung zurücksetzen. Während das reset-Signal nach jeder Messung den Stand des Impulszählers 10 auf Null setzt, kann über eine hold-Funktion die Ausgabe des aktuellen Wertes blockiert werden. Mit einem Potentiometer kann der Zeitraum zwischen zwei angezeigten Messwerten variiert werden. Die hold-Funktion wird aktiviert, wenn beispielsweise die zu messende Hochspannung abgeschaltet wird. Hierzu ist eine Signalspeichereinrichtung 19 erforderlich, damit der Rechner 18 die entsprechende Information erhalten kann. Weiterhin steht der Rechner mit einer Wahlschaltung 20 in Verbindung, mit der die verschiedenen Betriebsarten eingestellt werden können.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Messeinrichtung zur Bestimmung des Scheitelwerts hoher Wechselspannungen mit einem Messkondensator, einem in Reihe geschalteten Messgrössenumformer mit einem Messwiderstand (R) zur Erzeugung einer dem arithmetischen Mittelwert des Ladestromes des Messkondensalors proportionalen Ausgangsspannung (ut (t))> mit einem dem Messgrössenumformer nachgeschalteten Span-nungs-Frequenz-Wandler zur Bildung einer zur Ausgangsspannung (ut (t)) proportionalen mittleren Impulsfolgefrequenz (fm) sowie mit einem Impulszähler, bei welchem die Impulse mit der Frequenz (fm) durch eine Torschaltung für die Dauer einer vorwählbaren Anzahl von Perioden der Messspannung zugeführt werden und dessen Anzeige zum Scheitelwert der Messspannung direkt proportional ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Messgrössenumformer (4) einen aktiven Strom-Spannungs-Wandler (5) aufweist, dessen Ausgangsspannung (ui (t)) einer aktiven Gleichrichterschaltung (6) sowie einem Nullspannungsdetektor (7) zugeführt wird, dessen von den Nulldurchgängen der Ausgangsspannung (ui (t)) abgeleitetes Ausgangssignal zur Steuerung der Torschaltung (9) dient, und dass die Ausgangsspannung (ut) der Gleichrichter-

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   Schaltung (6) am Eingang des Spannungs-Fre-quenz-Wandlers (8) liegt.

   2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Strom-Span-nungs-Wandler (5) mit einem Messwiderstand (R) im Rückkopplungszweig ausgerüstet ist.

   3. Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nullspannungsdetektor (7) einen 90°-Phasenschieber (15) zur Erfassung der Nulldurchgänge des Ladestromes und der Messspannung aufweist und je nach Ansteuerung der Torschaltung (9, 18) der positive oder negative Scheitelwert von der Anzeige (11) des Impulszählers (10) angezeigt wird.

   4. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Eingang des Messgrössenumformers (4) eine Überspannungsschutzschaltung (3) vorgesehen ist.

   5. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterschaltung (6) als Vollweggleichrichter mit Präzisionsmesswiderständen und PIN-Silizium-Dioden ausgerüstet ist.

   6. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kalibriereinrichtung (12) mit einer Gleichspannungsreferenzquelle und einem quarzgesteuerten Zeitgeber zur Ansteuerung der Torschaltung (9,18).

   7. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Spannungs-Frequenz-Wandler (8) und dem Impulszähler (10) ein Rechner (18) eingebaut ist, welcher die Torschaltung beinhaltet und diese in Abhängigkeit von der programmierten Betriebsart ansteuert.

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