DE10056988A1

DE10056988A1 - Spannungsteileranordnung

Info

Publication number: DE10056988A1
Application number: DE2000156988
Authority: DE
Inventors: Heiko Dowideit
Original assignee: KG Ritz Messwandler & GmbH
Current assignee: KG Ritz Messwandler & GmbH
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2000-11-17
Publication date: 2002-05-23

Abstract

Konzentrische Spannungsteileranordnung zur Messung von Hoch- und Mittelspannungen (U1), mit einem aus einem Oberkondensator (C2) und einem Unterkondensator (C3) bestehenden kapazitiven Spannungsteiler und einem mit dem Spannungsteiler verbundenen Meßverstärker (6), der über einen mit der Meßspannung (U1) verbundenen Versorgungskondensator (C1) mit elektrischer Energie versorgt wird, so gestaltet, daß sich ein einfacher Aufbau und eine hohe Meßgenauigkeit ergibt und ein vorzugsweiser Einguß mit Gießharz möglich ist. DOLLAR A Die Energieversorgung des Meßverstärkers (6) ist so gestaltet, daß sie sich im Gleichtakt mit dem Meßsignal gegenüber dem Massepotential (3) verändert und dadurch Schutzmaßnahmen der Verstärkereingänge gegen Überspannungen von der Hochspannungsseite her überflüssig sind (Figur 2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungsteileranordnung zur Messung von Hoch- und Mittelspannungen, mit einem aus einem Oberkondensator und einem Unterkondensator beste henden kapazitiven Spannungsteiler und einem mit dem Spannungsteiler verbundenen und räumlich zusammenhängend angeordneten Meßverstärker, der über einen mit der Meß spannung verbundenen Versorgungskondensator mit elek trischer Energie versorgt wird.

Es ist bekannt zur Spannungsmessung von Hoch- und Mit telspannungen kapazitive Spannungsteiler zu verwenden. Diese haben gegenüber induktiven Spannungsteilern den Vorteil des einfachen und kostengünstigen Aufbaus. Kapazitive Spannungsteiler haben weiterhin ein günstigeres Verhalten gegenüber höheren Frequenzen. Es ist auch bekannt, zwischen niederspannungsseitigen Abgriffen des kapazitiven Spannungsteilers und dem zur weiteren Verwendung vorgesehenen Ausgangssignal einen Verstärker vorzusehen, durch den eine Rückwirkung von an den Ausgang angeschlossenen unterschiedlichen Kabellängen oder Bürdenwiderständen auf das Ausgangssignal verhindert werden kann.

Schließlich ist auch bekannt die Versorgungsenergie für den Verstärker aus dem Meßsignal selbst zu entnehmen. Bekannte Spannungsteileranordnungen weisen jedoch noch eine relativ hohe Empfindlichkeit des Ausgangssignals gegen äußere Einflüsse wie Temperaturänderungen oder elektrische Felder in der engeren Umgebung des Span nungsteilers auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spannungsteileran ordnung anzugeben, die bei einfachem Aufbau eine hohe Meßgenauigkeit ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß zumindest eine zur Verbindung mit der Hoch- oder Mittelspannung bestimmte Hochspannungselektrode, eine zur Verbindung mit dem Meßverstärker bestimmte Sensorelektrode und eine zur Versorgung des Meßver stärkers mit elektrischer Energie bestimmte Versorgungs elektrode in konzentrischer Anordnung zu einer Konden satoreinheit verbunden sind.

Durch diese Maßnahmen wird eine Spannungsteileranordnung geschaffen, die zwischen der Hochspannungselektrode und der Sensorelektrode eine Kapazität bildet, die als Ober kondensator eines kapazitiven Spannungsteilers verwendet wird, während gleichzeitig eine zwischen der Hochspan nungselektrode und der Versorgungselektrode bestehende Kapazität einen Versorgungskondensator für die elek trische Energieversorgung des Meßverstärkers bildet. Sämtliche Elektroden können vorteilhaft durch Gießharz zu einer Einheit verbunden werden, so daß der Einbau in ein zugehöriges Gehäuse entfällt bzw. stark vereinfacht wird.

Es muß berücksichtigt werden, daß die dielektrischen Eigenschaften von Kondensatoren stark von der Temperatur abhängen. Da dieser Temperatureinfluß noch nicht einmal linear ist, wäre die Kompensation der temperaturbeding ten Kapazitätsänderungen auf elektronischen Wegen sehr aufwendig.

Eine vollständige Kompensation der nichtlinearen Temperatureinflüsse läßt sich erreichen, wenn ein außerhalb der Kondensatoreinheit angeordneter Unter kondensator des kapazitiven Spannungsteilers ein Dielektrikum aus dem gleichen Material aufweist wie die Kondensatoreinheit.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Unter kondensator aus einer leitfähigen Fläche, vorzugsweise einer kupferbeschichteten Leiterplatte als der ersten Elektrode, die mit einer Gießharzschicht als Dielektrikum und einer auf der Gießharzschicht ange brachten Kupferlackschicht als der zweiten Elektrode des Unterkondensators versehen ist. Die Gießharzschicht besteht dabei aus dem gleichen Material wie das Dielektrikum des Oberkondensators.

In einer weiteren einfachen Ausgestaltung besteht die Anordnung aus einem rohrförmigen, einseitig geschlossenen Stab-Dielektrikum, das innen eine stabförmige Elektrode enthält, die an einem Ende aus dem Dielektrikum herausragt und an die Hochspannung angeschlossen wird, während das andere Ende durch den Boden des Stab-Dielektrikums nach außen hin isoliert abgeschlossen ist.

Außen werden auf dem Dielektrikum nebeneinander zwei voneinander getrennte ringförmige Elektroden aufge bracht, wobei vorzugsweise die größere die Versorgungs elektrode und vorzugsweise die kleinere die Sensorelek trode darstellt.

Diese Anordnung ist einerseits einfach herstellbar und andererseits wenig empfindlich gegen elektromagnetische Einflüsse von außen, wenn eine mit Masse verbundene Schirmelektrode die Sensorelektrode (isoliert) über deckt.

Mit einem an die elektrische Verbindung zwischen dem Oberkondensator und dem Unterkondensator des kapazitiven Spannungsteiler angeschlossenen Meßverstärker wird die Möglichkeit zum Abgleich von Amplitude und Phase gegeben und eine niedrige Quellimpedanz des Ausgangssignals erzeugt.

Zur Abschirmung von störenden Umgebungseinflüssen werden der Unterkondensator und der Meßverstärker vorzugsweise in einem abschirmenden Metallgehäuse untergebracht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Spannungsteileranordnung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der räumlichen Anordnung des Erfindungsgegenstands;

Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltbild der erfindungsgemäßen Spannungsteileranordnung.

In Fig. 1 erkennt man einen Oberkondensator C2 und ei nen Unterkondensator C3, die zwischen einem mit einer Mittel- oder Hochspannung U1 verbundenen Anschluß 1 und einem mit Erdpotential 3 verbundenen Anschluß 2 in Reihe geschaltet sind. Eine Verbindungsleitung 4 zwischen Oberkondensator C2 und Unterkondensator C3 ist mit dem Eingang 5 eines Meßverstärkers 6 verbunden, an dessen Ausgang 7 eine zur Hochspannung U1 proportionale Ausgangsspannung U2 anliegt.

Die Energieversorgung des Meßverstärkers 6 erfolgt aus der Hochspannung U1 mittels eines Versor gungskondensators C1.

In Fig. 2 erkennt man eine stabförmige Hochspannungs elektrode 8 und eine ringförmige Versorgungselektrode 9, die um ein rohrförmiges Dielektrikum 12 herum angeordnet ist und zusammen mit diesem und der Hochspannungselek trode 8 den Versorgungskondensator C1 bildet.

Weiterhin erkennt man eine ebenfalls ringförmige Sensor elektrode 10, die benachbart zur Versorgungselektrode 9 auf dem Dielektrikum 12 angeordnet ist und zusammen mit der Hochspannungselektrode 8 den Oberkondensator C2 dar stellt, der zusammen mit dem Unterkondensator C3 den ka pazitiven Spannungsteiler bildet. Um die Sensorelektrode 10 herum ist noch eine mit dem Erdpotential 3 verbundene Schirmelektrode 11 angeordnet, die von der Sensorelek trode 10 durch eine Isolation 14 getrennt ist.

Die genannten Bauteile 8 bis 10 und 12 bilden eine Kondensatoreinheit 13, die an ihrem oberen Ende einen Hochspannungsanschluß aufweist. Eine Verstärkereinheit besitzt ein Metallgehäuse 17, in dem der Meßverstärker 6 und der Unterkondensator C3 untergebracht sind. Der Unterkondensator C3 weist ein Dielektrikum auf, welches aus demselben Material besteht wie das Dielektrikum 12 der Kondensatoreinheit 13.

In Fig. 3 erkennt man die Stromversorgung für den Operationsverstärker 18. Der aus der Hochspannung U1 stammende über den Versorgungskondensator C1 fließende Wechselstrom wird über die Dioden D1 und D2 gleichgerichtet (Zweiweggleichrichtung) und durch die Kondensatoren C4 und C5 geringfügig geglättet. Eine Z- Diode D5 begrenzt die Versorgungsspannung für den Operationsverstärker 18. Die beiden hochohmigen Widerstände R10 und R12 verhindern ein Wegdriften der Versorgungsspannung gegenüber der lasse 3, so daß jene immer mittig zwischen positiver Spannung +V und negativer Spannung -V liegt.

Die Spannungsanschlüsse +V und -V sind mit den ent sprechenden Anschlüssen des Operationsverstärkers 18 verbunden, der vorzugsweise in seiner Stromaufnahme programmierbar ist.

Die Versorgungsspannung +V und -V folgt dem Signal sym metrisch im Gleichtakt. Dieser signalabhängige Bezug der Versorgungsspannung zur Masse 3 hat viele Vorteile. Einerseits sind kleinere Ladekondensatoren C4, C5 mög lich, so daß ein schneller Versorgungsaufbau erfolgt. Zum zweiten aber kann beim Operationsverstärkereingang 5 ein Eingangsschutz entfallen, weil die Meßspannung ohnehin nie über die Versorgungsspannung anwächst. Schließlich kann die Anstiegsgeschwindigkeit (Slew-Rate) des Operationsverstärkers 18 kleiner sein als die Anstiegsgeschwindigkeit des Signals.

Die Glättungskondensatoren C4 und C5 in der Spannungs versorgung müssen gegenüber dem Versorgungskondensator C1 im richtigen Verhältnis stehen. Dieses Verhältnis macht sich bemerkbar, wenn die Eingangsspannung gerade so klein ist, daß die Schaltung funktioniert. Sind die Glättungskondensatoren C4 und C5 zu groß, dauert die Aufladung zu lange, und die Schaltung läuft nicht gleich an. Sind die Glättungskondensatoren C4 und C5 zu klein, kann nicht genügend gepuffert werden und die Welligkeit der Versorgungsspannung wird zu groß.

Bezugszeichenliste

1

Anschluß

2

Anschluß

3

Erdpotential/Masse

4

Verbindungsleitung

5

Eingang

6

Meßverstärker

7

Ausgang

8

Hochspannungselektrode

9

Versorgungselektrode

10

Sensorelektrode

11

Schirmelektrode

12

Gießharz/Dielektrikum

13

Kondensatoreinheit

14

Isolation

17

Metallgehäuse/Schirmung

18

Operationsverstärker
C1 Versorgungskondensator
C2 Oberkondensator
C3 Unterkondensator
C5 Kondensator
D1 Diode
D2 Diode
D5 Z-Diode
R1 Widerstand
R10 Widerstand
R12 Widerstand
U1 Hochspannung
U2 Ausgangsspannung
+V Spannungsanschluß
-V Spannungsanschluß

Claims

1. Spannungsteileranordnung zur Messung von Hoch- und Mittelspannungen, mit einem aus einem Oberkondensator (C2) und einem. Unterkondensator (C3) bestehenden kapazitiven Spannungsteiler und einem mit dem Spannungsteiler verbundenen Meßverstärker (6), der über einen mit der Meßspannung (U1) verbundenen Versorgungskonden sator (C1) mit elektrischer Energie versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine zur Verbindung mit der Hoch- oder Mittelspannung (U1) bestimmte Hochspannungselektrode (8), eine zur Verbindung mit dem Meßverstärker (6) bestimmte Sensorelektrode (10) und eine zur Versorgung des Meßverstärkers (6) mit elektrischer Energie bestimmte Versorgungselektrode (9) in konzentrischer Anordnung zu einer Kondensator einheit (13) verbunden sind.

2. Spannungsteileranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein rohrförmiges, einseitig verschlossenes Stab-Dielektrikum (12) aufweist, das innen eine stabförmige Hochspannungselektrode (8) enthält, die an dem offenen Ende mit der Hochspannung kontaktiert werden kann, während das andere Ende durch den Boden des Stab-Dielektrikums (12) nach außen hin abgeschlossen ist, und außen auf dem Dielektrikum (12) eine, vorzugsweise größere und ringförmige Versorgungselektrode (9) und eine, vorzugsweise kleinere und ringförmige, Sensorelektrode (10) aufgebracht wird.

3. Spannungsteileranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Vergießen mit Gießharz zu einer kompakten, mechanisch stabilen und gegen äußere Einflüsse geschützten Einheit (13) verbunden ist.

4. Spannungsteileranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit Masse zu verbindende Schirmelektrode (11) die Sensorelektrode (10) von dieser isoliert vollständig umschließt.

5. Spannungsteileranordnung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein außerhalb der Kondensatoreinheit (13) angeordneter Unterkondensator (C3) des kapazitiven Span nungsteilers ein Dielektrikum aus dem gleichen Ma terial (12) aufweist, wie die Kondensatoreinheit (13).

6. Spannungsteileranordnung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterkondensator (C3) aus einer leitfähigen Fläche, vorzugsweise einer kupferbeschichteten Leiterplatte besteht, die mit einer Gießharzschicht und einer auf der Gießharzschicht angebrachten Kupferlackschicht versehen ist.

7. Spannungsteileranordnung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterkondensator (C3) und der Meßverstärker (6) in einem abschirmenden Metallgehäuse (17) unterge bracht sind.

8. Spannungsteileranordnung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die mittels Versorgungselektrode (9) erzeugte Ver sorgungsspannung (+V/-V) der zugehörigen Verstär keranordnung im Gleichtakt mit dem Sensorsignal um das Massepotential (3) verändert, so daß keine Schutzmaßnahmen gegen Überspannungen von der Hochspannungsseite her für den Meßverstärkereingang (5) erforderlich sind.

9. Spannungsteileranordnung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein in seiner Stromaufnahme einstellbarer/veränderbarer Operationsverstärker (6) verwendet wird.