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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Hochspannungsfestigkeit
von mindestens 10 kV und mindestens zwei in Serie geschalteten,
jeweils mindestens eine Kapazität
und jeweils mindestens einen einen Entladungsstrom begrenzenden
Serienwiderstand umfassenden Schaltungsteilen. Die Erfindung betrifft
ferner Verwendungen dieser Schaltungsanordnung.
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Es
werden hohe Anforderungen an Bauelemente für Schaltungen in einer Hochspannungsumgebung
mit Spannungen über
10 kV, wie sie beispielsweise in Hochspannungsnetzen oder Bahnoberleitungen
zu finden ist, gestellt. Bei der Realisierung von diesbezüglichen
Schaltungen für
Messzwecke, insbesondere für
Spannungsmessungen, spielt die Spannungsfestigkeit der verwendeten
Kondensatoren eine ausschlaggebende Rolle. Kondensatoren, die eine
Spannungsfestigkeit bei Hochspannungen von insbesondere über 70 kV
gewährleisten,
sind aufwändig
und kostspielig herzustellen. So werden bei der Fertigung entsprechender
Kondensatoren mit einer Wickelmaschine hergestellte ölimprägnierte Flachwickel
von Hand zu einem Stapel in einem Isoliergestell zusammengepresst.
Hierzu wird auf die Informationsbroschüre: „Kopplungs-Kondensatoren, Publ.
FKK 8.92" der Firma „Hochspannungsgeräte Porz
GmbH" verwiesen.
Erweitert man einen derartigen Kondensator entsprechend um Serien-
und Parallelwiderstände,
erhält
man einen RC-Spannungsteiler, der in einer Hochspannungsumgebung
verwendet werden kann. Da auch dies in der Regel in Handarbeit geschieht,
erweist sich eine Produktion dieser für Hochspannungsumgebungen vorgesehenen
RC-Spannungsteiler als zeit- und kostenintensiv.
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Im
Dokument „Bulletin
Des Schweizerischen Elektrotechnischen Vereins" 62 (1971), Seiten 929-935, sind kapazitive
Spannungsteiler für
die Messung hoher Blitzstoßspannungen,
hoher Schaltstoßspannungen
und hoher Wechselspannungen angegeben. Die Spannungsteiler weisen
entweder eine Serienschaltung von Einzelkondensatoren oder eine
Serienschaltung von vielen Einzelwiderständen und Einzelkondensatoren
auf. Hierzu werden aufwendig herzustellende, spannungsfeste Einzelkondensatoren
aus Ölpapierwickeln
verwendet.
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Im
Dokument „IEEE
Transaction on Power Apparatus and System", No.2 (1976), Seiten 595-602, ist ebenfalls
ein Spannungsteiler für
die Messung hoher Blitzstoßspannungen,
hoher Schaltstoßspannungen
und hoher Wechselspannungen angegeben. Der Spannungsteiler weist
dabei eine Serie von in Serie und parallel geschalteten Einzelwiderständen und
Einzelkondensatoren auf. Auch hierzu werden aufwendig herzustellende,
speziell entwickelte, spannungsfeste Einzelkondensatoren aus Ölpapierwickeln
verwendet, wobei zudem die gesamte Schaltungsanordnung in einem
zylindrischen mit Mineralöl
oder Schwefelhexafluorid (SF6) gefüllten Epoxydharzcontainer
aufwendig gelagert ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung mit
einer Hochspannungsfestigkeit von mindestens 10 kV anzugeben, die
gegenüber
dem Stand der Technik mit Zeit- und Kostenersparnis realisierbar
ist und weite Verwendungsmöglichkeiten
eröffnet.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung, soweit
sie sich auf die Anordnung bezieht, mit den in Patentanspruch 1
angegebenen Maßnahmen
gelöst.
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Bei
der erfindungsgemäßen Anordnung
handelt es sich um eine Schaltungsanordnung mit
- – einer
Hochspannungsfestigkeit von mindestens 10 kV,
- – mindestens
zwei in Serie geschalteten, jeweils mindestens eine Kapazität und jeweils
mindestens einen einen Entladungsstrom begrenzenden Serienwiderstand
umfassenden Schaltungsteilen, wobei
- – die
Mindestzahl der Schaltungsteile durch die gemeinsame Hochspannungsfestigkeit
aller in Serie geschalteten Schaltungsteile bestimmt ist.
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Die
Anordnung soll dadurch gekennzeichnet sein, dass
- – die mindestens
eine Kapazität
jedes Schaltungsteils eine Spannungsfestigkeit von höchstens
3 kV aufweist,
- – der
mindestens eine Serienwiderstand jedes Schaltungsteils einen Widerstandswert
von zumindest 10 Ω aufweist,
und
- – zumindest
einige der Schaltungsteile auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet
sind.
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Die
Erfindung sieht eine Schaltungsanordnung vor, die trotz des Einsatzes
in einer Hochspannungsumgebung von über 10 kV mit standardisierten Elektronikbauteilen
auf einer handelsüblichen
Leiterplatte auskommt. Dabei werden Kondensatoren mit maximaler
Spannungsfestigkeit von 3 kV mit Serienwiderständen derart in Reihe geschaltet,
dass eine der Hochspannungsumgebung entsprechenden Hochspannungsfestigkeit
gewährleistet
ist. Die Schaltung ist dabei modular aufgebaut. Ein Modul, das mit
dem Schaltungsteil gleichzusetzen ist, umfasst dabei mindestens
einen Kondensator und einen Entladungsstrom begrenzenden Serienwiderstand von
mindestens 10 Ω.
Die serielle Verknüpfung
der Schaltungsteile ergibt dann die gesamte Schaltungsanordnung.
Es ist zweckmäßig, annähernd identische
Schaltungsteile zu verwenden, um einen gleichmäßigen Spannungsabfall entlang
der Schaltung zu gewährleisten.
Damit werden auch vorkommende Impulsspannungen gleichmäßig über die
gesamte Schaltungsanordnung verteilt, was einen weiteren Durchschlagsschutz
für die
einzelnen Kondensatoren darstellt. Denkbar ist aber auch, Schaltungsteile mit
unterschiedlich dimensionierten Kondensatoren und Widerständen zu
verwenden, wenn beispielsweise ein bestimmtes Profil für den Spannungsabfall
entlang der gesamten Schaltungsanordnung gewünscht ist. Durch die Verwendung
von standardisierten, leicht beziehbaren Elektronikbauteilen lässt sich
eine beträchtliche
Kosteneinsparung bei derartigen HV(High Voltage)-Schaltungs anordnungen
erreichen. Darüber
hinaus birgt der Einsatz der „einfachen" standardisierten
Kondensatoren noch einen weiteren Vorteil: Diese Kondensatoren sind Öl- bzw. gasfrei
verkapselt, so dass bei Leckage des Kondensators die Umwelt nicht
belastet wird.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ergeben sich aus
den von Anspruch 1 abhängigen
Ansprüchen.
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So
ist es von Vorteil, zwischen den in Serie geschalteten Schaltungsteilen
eine Anzapfung vorzusehen. Über
eine Anzapfung lässt
sich beispielsweise die Spannung oder der Strom in der Schaltungsanordnung
am Ort der Anzapfung bestimmen. Darüber hinaus kann eine Anzapfung
auch als Verbindungs- bzw. Knotenpunkt dienen, mittels dem sich die
Schaltungsanordnung problemlos durch weitere Schaltungselemente
erweitern lässt.
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Besonders
vorteilhaft ist es, dass jedes Schaltungsteil der Schaltungsanordnung
als Parallelschaltung ausgeführt
ist, bei der ein zum mindestens einen Kondensator und zum mindestens
einen Serienwiderstand parallel geschalteter Widerstand mit einem
Widerstandswert von zumindest 10 Ω vorgesehen ist. Durch die
parallel geschalteten Widerstände wird
entlang der gesamten Schaltungsanordnung ein definierter Spannungsabfall
erzwungen, damit an den jeweiligen Kondensatoren stets definierte
Spannungsverhältnisse
vorliegen. Dabei ist es günstig, dass
alle Widerstandswerte der Parallelwiderstände entlang der gesamten Schaltungsanordnung
annähernd
gleich sind, damit ein gleichmäßiger Spannungsabfall
entlang der Schaltungsanordnung erreicht wird. Ist ein bestimmtes
Spannungsprofil entlang der gesamten Spannungsanordnung gewünscht, können entsprechend
der Profilvorgabe die einzelnen Parallelwiderstände unterschiedliche Widerstandswerte
aufweisen.
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Es
ist günstig,
wenn die Schaltungsteile mittels Lötverbindungen auf der Leiterplatte
angeordnet sind. Damit lassen sich die auf der Leiterplatte anzuordnenden
Elektronikbauteile einfach befestigen und zugleich kontaktieren.
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So
ist die Schaltungsanordnung vorteilhafterweise automatisiert herstellbar.
Da standardisierte Elektronikbauteile verwendet werden, lässt sich
die Leiterplatte vorteilhaft mit automatischen Fertigungsverfahren
der Elektronik mit den entsprechenden Kondensatoren und Widerständen bestücken und verlöten. Die
Fertigungsgeschwindigkeit und die Fertigungskosten für die Schaltungsanordnung
werden hiermit in besonders vorteilhafter Weise minimiert. Durch
die Realisierung der Schaltungsanordnung bzw. Teile der Schaltungsanordnung
auf einer Leiterplatte ist zudem eine einfachere Herausführung einer Teileranzapfung
ermöglicht.
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Die
Schaltungsanordnung lässt
sich insbesondere als Spannungsteiler für eine Gleichspannungsmessung
verwenden. Ebenso ist eine Verwendung der Schaltungsanordnung als
Spannungsteiler für
eine wechselspannungsmessung vorzusehen. Für eine Wechselspannungsmessung
kann dann auf die für
eine Gleichspannungsmessung vorteilhaften Parallelwiderstände verzichtet
werden.
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Bevorzugte,
jedoch keinesfalls einschränkende
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung
ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und
gewisse Merkmale sind nur schematisiert dargestellt. Im Einzelnen
zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer HV-Schaltungsanordnung als RC-Spannungsteiler für Gleichspannungsmessungen,
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2 das
zu 1 entsprechende Schaltbild und
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3 das
Schaltbild einer HV-Schaltungsanordnung als RC-Spannungsteiler für Wechselspannungsmessungen.
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Einander
entsprechende Teile sind in den 1 bis 3 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
für eine HV-Schaltungsanordnung
S als RC-Spannungsteiler für
beispielsweise Gleichspannungsmessungen schematisch dargestellt.
Die abgebildete Schaltungsanordnung S mit einer Hochspannungsfestigkeit
von mindestens 10 kV zeigt die dazugehörigen wesentlichen Bauteile.
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Die
gesamte HV-Schaltungsanordnung S ist auf einer Leiterplatte LP realisiert;
dabei befinden sich einzelne in Reihe geschaltete Schaltungsteile S1, S2, ..., Sn alle
auf einer Leiterplatte LP. Es sind aber auch Ausführungsbeispiele
denkbar, bei denen Schaltungsteile S1, S2, ..., Sn auch auf
mehreren Leiterplatten angeordnet sein können; dazu müssen lediglich
elektrische Kontakte zwischen den auf unterschiedlichen Leiterplatten
befindlichen Schaltungsteilen S1, S2, ..., Sn gewährleistet
sein. Die Leiterplatte LP kann dabei eine 1- bis 4-lagige Leiterplatte
LP aus glasfaserverstärktem
Epoxydharz oder Teflon mit einer Länge im Bereich von 0,2 m bis
5 m und einer Breite im Bereich von 2 cm bis 20 cm sein.
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In
jedem Schaltungsteil S1, S2,
..., Sn sind mindestens ein Kondensator
C1, C2, ..., Cn und mindestens ein Widerstand Rs1, Rs2, ..., Rsn in Serie geschaltet. Als Kondensatoren
C1, C2, ..., Cn eignen sich besonders Folienkondensatoren,
insbesondere MKP- oder
FKP-Kondensatoren. Bei Bedarf, beispielsweise für Gleichspannungsmessungen,
kann, wie in 1 abgebildet, ein weiterer Widerstand
Rp1, Rp2, ..., Rpn parallel zu dieser Serienschaltung aus mindestens
einem Kondensator C1, C2,
..., Cn und mindestens einem Widerstand
Rs1, Rs2, ..., Rsn geschaltet werden. Die elektrische Verbindung
zwischen den elektronischen Bauteilen erfolgt mit Leiterbahnen L,
die beispielsweise auf der Unterseite der Leiterplatte LP ausgebildet
sein können.
Angedeutet ist dies durch die gestrichelten Linien in 1,
welche die Leiterbahnen L schematisch darstellen sollen.
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Die
Schaltungsanordnung S verfügt über zwei
Anschlüsse
A0 und An, die als
elektrischer Eingang und elektrischer Ausgang vorgesehen sind. Beispielsweise
kann hiermit eine Hochspannung von 70 kV an den Eingang A0 angeschlossen werden, während der Ausgang An auf Erdpotential geführt wird. Weiter sind zwischen
den Schaltungsteilen S1, S2,
..., Sn Anzapfungen A1 bis
An-1 angeordnet, die den einfachen Zugriff
auf die an den Stellen vorliegenden Spannungen und Ströme zu Messzwecken ermöglichen.
Sie können
aber auch als Knoten- bzw. Verknüpfungspunkte
für Erweiterungen
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
S dienen.
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In 2 ist
die elektrische Schaltungsstruktur für die in 1 schematisch
dargestellte Schaltungsanordnung S in Form eines Schaltbildes dargestellt.
Die gesamte Schaltungsanordnung S besteht dabei aus in Serie geschalteten
Schaltungsteilen S1, S2,
..., Sn. Mit A0 und
An ist der Eingang und der Ausgang der Schaltungsanordnung
S angedeutet. Zwischen den Schaltungsteilen S1,
S2, ..., Sn sind,
wie vorangehend dargestellt, Anzapfungen A1 bis
An-1 vorgesehen. Jedes Schaltungsteil S1, S2, ..., Sn besteht dabei aus zwei Zweigen Zs1 und Zp1, Zs2 und Zp2, ..., Zsn und Zpn, die an
jeweils zwei Knotenpunkten P11 und P12, P21 und P22, ..., Pn1 und
Pn2 miteinander verbunden sind. Ein Zweig
Zs1, Zs2, ..., Zsn umfasst dabei die Serienschaltung aus
dem mindestens einen Kondensator C1, C2, ..., Cn und dem
mindestens einen Widerstand Rs1, Rs2, ... Rsn, während der
andere Zweig Zp1, Zp2,
..., Zpn mit dem Parallelwiderstand Rp1, Rp2, ..., Rpn versehen ist. Die in den Zweigen Zs1 bis Zsn verwendeten
Kondensatoren C1, C2,
..., Cn haben dabei eine Spannungsfestigkeit
von maximal 3 kV. Kondensatoren mit dieser Spannungsfestigkeit sind preiswert
und in großer
Anzahl leicht zu beziehen. Für
die jeweiligen Serienwiderstände
Rs1 bis Rsn sollte
ein Widerstandswert von mindestens 10 Ω und für die jeweiligen Parallelwiderstände Rp1 bis Rpn ein Widerstandswerte
von mindestens 100 kΩ gewählt werden.
Die Serienwiderstände
Rs1, Rs2, ..., Rsn sind so zu dimensionieren, dass bei der
größten vorgegebenen
Stoßspannungsbelastung
(Span nungsfestigkeit) der maximal zulässige Kondensatorstrom nicht überschritten
wird.
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Verwendet
man für
gleich dimensionierte in Reihe geschaltete Schaltungsteile S1, S2, ..., Sn, beispielsweise Kondensatoren C1, C2, ..., Cn mit einer Kapazität von 0, 1 F und einer Spannungsfestigkeit von
1 kV, so müssen,
damit eine Spannungsfestigkeit der gesamten Schaltungsanordnung
S von beispielsweise 70 kV gewährleistet
ist, insgesamt mindestens n = 70 Schaltungsteile S1,
S2, ..., Sn verwendet
werden. Die einzelnen Serienwiderstände Rs1,
Rs2, ..., Rsn haben
dabei einen Widerstandswert von 100 Ω und 10 W Maximalbelastbarkeit
und die einzelnen Parallelwiderstände Rp1,
Rp2, ..., Rpn einen
Widerstandswert von 7 MΩ und
10 W Maximalbelastbarkeit.
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Denkbar
sind auch Ausführungsbeispiele, bei
denen die einzelnen in Reihe geschalteten Schaltungsteile S1, S2, ..., Sn nicht gleich dimensioniert ausgeführt sind.
Um beispielsweise ein gewünschtes Profil
für den
Spannungsabfall entlang der Schaltungsanordnung S zu erhalten, können entsprechend Kondensatoren
C1, C2, ..., Cn mit unterschiedlichen Kapazitäten und
Widerstände
Rs1, ..., Rsn, Rp1, ... Rpn mit unterschiedlichen
Widerstandswerten verwendet werden.
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Bei
Verwendung der Schaltungsanordnung S für Wechselspannungsmessungen
kann auf den jeweils zweiten Zweig Zp1 bis
Zpn verzichtet werden. In 3 ist
ein entsprechendes Schaltbild dargestellt. Jedes Schaltungsteil
S1 bis Sn umfasst
dabei nur den ersten Zweig Zs1 bis Zsn mit dem jeweiligen mindestens einen Kondensator
C1, C2, ..., Cn und dem jeweiligen mindestens einen Serienwiderstand
Rs1, Rs2, ..., Rsn.
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Für eine Hochspannungsfestigkeit
der gesamten Schaltungsanordnung S von beispielsweise 70 kV müssen mindestens
n = 70 Schaltungsteile S1, S2,
..., Sn in Reihe geschaltet werden, wenn
dabei Kondensatoren C1, C2,
..., Cn mit einer Kapazität von 0,1
F und einer Spannungsfestigkeit von 1 kV verwendet werden. Die Serienwiderstände Rs1, Rs2, ..., Rsn haben bei diesem Ausführungsbeispiel jeweils einen
Widerstandswert von 100 Ω und
10 W Maximalbelastbarkeit.