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Die Erfindung betrifft Hochspannungsmessteiler.
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Die Notwendigkeit eines Spannungsteilers wird als gegeben angesehen und daher nicht näher erläutert. Ein realer Spannungsteiler hat eine Oberfläche, die mit der Fläche der Erdelektrode eine Kapazität bildet. Das Medium zwischen Spannungsteiler und Erdelektrode besitzt einen spezifischen
elektrischen Widerstand. Dadurch ergibt sich ein Widerstand zwischen der Oberfläche des Spannungsteilers und der Fläche der Erdelektrode.
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Ein Hochspannungsprüfgerät mit einer kompakten Bauform erzwingt die Isolation der Hochspannungskomponenten gegen die Erdelektrode mit Isoliermedien, beispielsweise mit Vergussmassen, und es entsteht immer eine räumliche Nähe zur Erdelektrode. Dadurch werden die parasitären Einflüsse der Erdkapazität und des Ableitwiderstandes begünstigt.
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Die parasitäre Erdkapazität vergrößert sich naturgesetzlich um den Faktor des Wertes der Dielektrizitätskonstante des Isoliermediums. Die Dielektrizitätskonstanten von festen oder flüssigen Isoliermedien haben die Eigenschaft für den notwendigen Temperatureinsatzbereich nicht stabil zu sein. Das bedeutet, dass die parasitäre Erdkapazität über die Temperatur nicht konstant ist. Die spezifischen elektrischen Widerstände von festen oder flüssigen Isoliermedien haben weiterhin die Eigenschaft für den notwendigen Temperatureinsatzbereich nicht stabil zu sein. Das bedeutet, dass der parasitäre Ableitwiderstand über die Temperatur nicht konstant ist. Besonders bei festen Isoliermedien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit ist die Temperaturinstabilität der dielektrischen Werte gravierend.
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Durch den parasitären Ableitwiderstand wird die lineare Spannungsverteilung über dem Spannungsteiler verfälscht und durch die parasitäre Erdkapazität wird die Phasenlage der Ausgangsspannung verfälscht. Somit ist keine korrekte Aussage über die Amplitude und die Phasenlage in der Messerfassung der Ausgangsspannung mehr möglich. Eine hochpräzise Verlustfaktormessung (tan Delta) ist nicht möglich.
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Durch die Druckschrift
DE 195 37 155 A1 ist ein Spannungsteiler für Hochspannungen bekannt. Um vor allem die mit hohen Teilspannungen beaufschlagten Widerstände abzuschirmen, weisen die Kondensatoren jeweils zwei topfförmige Elektroden auf. Diese sind umgekehrt und berührungsfrei ineinandergesteckt und bilden damit einen abgeschirmten Innenraum. Der zugehörige Widerstand der jeweiligen Parallelschaltung ist im Innenraum des Kondensators angeordnet. Die topfförmigen Elektroden bedingen einen nicht unerheblichen Aufwand. Die Montage kann durch die Platzierung des Widerstandes im Innenraum der Elektroden nur nacheinander erfolgen.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen weitestgehend von parasitären Elementen unabhängigen Hochspannungsmessteiler einfach zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Hochspannungsmessteiler zeichnen sich insbesondere durch eine weitestgehende Unabhängigkeit von parasitären Elementen aus.
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Dazu sind auf plattenförmigen Bauelementeträgern erste aus jeweils einem ohmschen Widerstand und einem Kondensator bestehende Parallelschaltungen in Reihenschaltung und auf mindestens einem der Bauelementeträger wenigstens eine zweite Parallelschaltung aus einem ohmschen Widerstand und wenigstens einem Kondensator angeordnet. Wenigstens drei Bauelementeträger sind für einen Hochspannungsmessteiler übereinander angeordnet. Wenigstens ein Bauelementeträger der Bauelementeträger weist an nach außen weisenden Kanten Feldsteuerelemente auf. Diese sind aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehende Zylinder- oder Rohrstücke mit als Kugelkappen ausgebildeten Endenbereichen. Dabei sind die äußeren wenigstens die ersten Parallelschaltungen aufweisenden Bauelementeträger Feldsteuerbauteile und der mittlere Bauelementeträger mit den ersten Parallelschaltungen und der zweiten Parallelschaltung der Messspannungsteiler, wobei zum Einen die Verbindung zwischen den ersten Parallelschaltungen und der zweiten Parallelschaltung des Messspannungsteilers der Abgriff des Hochspannungsmessteilers und zum Anderen die ersten Parallelschaltungen der Feldsteuerbauteile und die Reihenschaltung aus ersten Parallelschaltungen und zweiter Paralleschaltung des Messspannungsteilers parallel zueinander geschalten die weiteren Anschlüsse des Hochspannungsmessteilers sind.
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Damit ist der Hochspannungsmessteiler weitestgehend unabhängig von parasitären Ableitwiderständen, von der parasitären Erdkapazität und von den elektrischen und dielektrischen Eigenschaften des Isoliermediums.
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Ein realer Spannungsteiler hat als körperlicher Gegenstand eine Oberfläche, die mit der Fläche der Erdelektrode eine Kapazität bildet. Das Medium zwischen Spannungsteiler und Erdelektrode besitzt einen spezifischen elektrischen Widerstand. Dadurch ergibt sich ein Widerstand zwischen der Oberfläche des Spannungsteilers und der Fläche der Erdelektrode, der im Folgenden parasitärer Ableitwiderstand genannt wird. Der Ableitwiderstand ergibt sich aus dem Produkt aus dem spezifischen Widerstand und dem Verhältnis aus Länge zu Fläche.
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Ein Hochspannungsprüfgerät mit einer kompakten Bauform erzwingt die Isolation der Hochspannungskomponenten gegen die Erdelektrode mit Isoliermedien beispielsweise von Vergussmassen. Es entsteht immer eine räumliche Nähe zur Erdelektrode. Dadurch werden die parasitären Einflüsse der Erdkapazität und des Ableitwiderstandes begünstigt.
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Die parasitäre Erdkapazität vergrößert sich naturgesetzlich um den Faktor des Wertes der Dielektrizitätskonstante des Isoliermediums. Die Dielektrizitätskonstanten von festen oder flüssigen Isoliermedien haben die Eigenschaft, für den notwendigen Temperatureinsatzbereich nicht stabil zu sein. Die parasitäre Erdkapazität ist dadurch über die Temperatur nicht konstant.
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Die spezifischen elektrischen Widerstände von festen oder flüssigen Isoliermedien haben die Eigenschaft, für den notwendigen Temperatureinsatzbereich nicht stabil zu sein. Der parasitäre Ableitwiderstand ist dadurch über die Temperatur nicht konstant. Besonders bei festen Isoliermedien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit ist die Temperaturinstabilität der dielektrischen Werte gravierend.
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Durch den parasitären Ableitwiderstand wird die lineare Spannungsverteilung über dem Spannungsteiler verfälscht und durch die parasitäre Erdkapazität wird die Phasenlage der Ausgangsspannung verfälscht. Somit ist keine korrekte Aussage über die Amplitude und die Phasenlage in der Messerfassung der Ausgangsspannung mehr möglich.
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Dadurch ist eine hochpräzise Verlustfaktor-Messung (tan Delta) nicht mehr möglich.
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Der Hochspannungsmessteiler zeichnet sich vorteilhafterweise dadurch aus, dass ein Einfluss der parasitären Elemente unterbunden wird. Er besteht im Wesentlichen aus der Reihenschaltung der ersten Parallelschaltungen und der wenigstens einen zweiten Parallelschaltung. Durch das Parallelschalten der drei beabstandet zueinander angeordneten Bauelementeträger ist der mittlere Bauelementeträger als Messspannungsteiler mit den Reihenschaltungen von ersten Parallelschaltungen aus einem ohmschen Widerstand und einem Kondensator und die zweite Parallelschaltung in einem "feldfreien" Raum eingebettet. Die Äußeren fungieren als Feldsteuerelemente.
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Mittels des Hochspannungsmessteilers ist dadurch die korrekte Phasenlage und die korrekte Amplitude der Spannung unabhängig von äußeren Temperatureinflüssen und unabhängig von der Einbaulage in einem Gerät messbar.
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Der Hochspannungsmessteiler ist somit unabhängig vom parasitären Ableitwiderstand, von der parasitären Erdkapazität und von den elektrischen und dielektrischen Eigenschaften des Isoliermediums.
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Eine hochpräzise Verlustfaktor-Messung (tan Delta) ist ohne zusätzliche nachträgliche Korrekturen möglich.
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Das so vorhandene Grundprinzip einer quasi Umhüllung oder Schirmung des Hochspannungsmessteilers durch gleichartige Bauelementeträger mit Spannungsteilern kann auch für große Hochspannungsmessteiler angewendet werden, die in Freiluft aufgestellt werden.
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Die Bauelemente der parallel geschalteten schirmenden äußeren Bauelementeträger mit Spannungsteilern können auch anderes dimensioniert werden als der mittlere und eigentliche Messspannungsteiler. Damit kann beispielsweise die gesamte Verlustleistung in den Widerständen gering gehalten werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 10 angegeben.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 sind auf mäanderförmig ausgebildeten plattenförmigen Bauelementeträgern die ersten Parallelschaltungen aus jeweils einem ohmschen Widerstand und einem Kondensator in Reihenschaltung mäanderförmig angeordnet. Damit ist eine Reihenschaltung mit einer Vielzahl von Parallelschaltungen platzsparend auf die Bauelementeträger aufbringbar.
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Die Bauelementeträger sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 drei gleich ausgebildete und bestückte Bauelementeträger.
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Der ohmsche Widerstand und der Kondensator ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 jeweils ein oberflächenmontierbares Bauelement. Die Kondensatoren sind dabei vorteilhafterweise Keramikvielschichtkondensatoren, wobei die Schichten den Platten eines Plattenkondensator entsprechen.
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Die Widerstände und die Kondensatoren der ersten Parallelschaltung sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 gleiche Widerstände und gleiche Kondensatoren jeweils als oberflächenmontierbare Bauelemente.
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Das Feldsteuerelement ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 ein aus einem weichlötbaren Material bestehendes Feldsteuerelement. Damit kann dieses durch Anwendung des bekannten Lötverfahrens mit Leiterbahnen des Bauelementeträgers elektrisch leitend verbunden und gleichzeitig damit befestigt werden.
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Das Zylinder- oder Rohrstück des Feldsteuerelements besitzt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 eine Nut oder ein Langloch für einen Endbereich des Bauelementeträgers. Damit ist eine leichte und sichere Montage, Befestigung und Kontaktierung gegeben.
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Wenigstens einer der plattenförmige Bauelementeträger ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 eine doppelseitige Leiterplatte. Die Reihenschaltung der ersten Parallelschaltungen und die zweite Parallelschaltung befinden sich auf einer Seite. Die andere Seite weist wenigstens eine Leiterbahn auf. Letztere ist vorteilhafterweise mit einem Potential verbindbar.
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Die Bauelementeträger sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 mittels Schraubverbindungen miteinander verbunden.
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Die Bauelementeträger befinden sich nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 bis auf Anschlusskontakte beabstandet zueinander in einem Körper aus einer Vergussmasse. Damit ist ein kompakter Hochspannungsmessteiler realisiert. Als Vergussmasse kann dazu ein bekannter aushärtbarer Kunststoff insbesondere Kunstharz oder ein Polyurethan verwendet werden.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die bei mäanderförmig ausgebildeten Bauelementeträgern durch die Mäanderform vorhandenen Fehlstellen mit der Vergussmasse ausgefüllt sind, so dass ein sicherer und kompakter Einschluss der Bauelementeträger mit den darauf angeordneten Widerstände und Kondensatoren sowie der daran angeordneten Feldsteuerelementen gegeben ist. Damit ist ein kompakter Hochspannungsmessteiler realisiert.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 ein Schaltbild eines Hochspannungsmessteilers,
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2 ein Bauelementeträger mit Widerständen und Kondensatoren als Spannungsteiler in einer Draufsicht,
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3 ein Hochspannungsmessteiler in einer Seitenansicht und
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4 ein Feldsteuerelement an einer Leiterplatte.
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Ein Hochspannungsmessteiler 1 besteht im Wesentlichen aus plattenförmigen Bauelementeträgern als Leiterplatten 2 mit Widerständen R und Kondensatoren C sowie Feldsteuerelementen 3.
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Die 1 zeigt ein Schaltbild eines Hochspannungsmessteilers 1 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Der Hochspannungsmessteiler besteht im Wesentlichen aus
- – einem ersten Strang mit ersten Parallelschaltungen 7 aus jeweils einem ohmschen Widerstand R2 bis RN und einem Kondensator C2 bis CN in Reihenschaltung,
- – einem zweiten Strang mit einer zweiter Parallelschaltung 8 aus einem ohmschen Widerstand R1 und wenigstens einem Kondensator C1 in Reihe mit ersten Parallelschaltungen 7 aus jeweils einem ohmschen Widerstand R2 bis RN und einem Kondensator C2 bis CN und
- – einem dritten Strang mit ersten Parallelschaltungen 7 aus jeweils einem ohmschen Widerstand R2 bis RN und einem Kondensator C2 bis CN in Reihenschaltung. Die Stränge sind parallel zueinander geschalten und besitzen Anschlüsse 4, 5. Die Verbindung zwischen den ersten Parallelschaltungen 7 und der zweiten Parallelschaltung 8 des zweiten Stranges sind der Abgriff 6 des Hochspannungsmessteilers 1.
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Die 2 zeigt eine Leiterplatte 2 mit Widerständen R und Kondensatoren C als Spannungsteiler in einer prinzipiellen Draufsicht.
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Die Leiterplatte 2 weist eine eine Mäanderform auf, so dass die ersten aus jeweils einem ohmschen Widerstand R und einem Kondensator C bestehende Parallelschaltungen 7 mäanderförmig verlaufend auf der Leiterplatte 2 angeordnet sind. Die Widerstände R und Kondensatoren C sind mit Leiterbahnen der Leiterplatte zusammengeschaltet. Damit sind die mäanderförmig ausgebildeten plattenförmigen Bauelementeträger bekannte Leiterplatten 2 mit Leiterbahnen und Kontaktstellen. Auf den Leiterplatten 2 befinden sich die Kondensatoren C und die Widerstände R als oberflächenmontierbare Bauelemente, die mittels bekannter Lötverfahren mit Kontaktstellen und/oder Leiterbahnen der Leiterplatte 2 elektrisch leitend verbunden sind.
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Die 3 zeigt einen Hochspannungsmessteiler in einer prinzipiellen Seitenansicht.
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Drei derartige bestückte Leiterplatten 2a, 2b, 2c sind übereinander angeordnet.
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Die 4 zeigt ein Feldsteuerelement 3 an einer Leiterplatte 2 in einer prinzipiellen Darstellung.
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An nach außen weisenden Kanten wenigstens einer der Leiterplatten 2 hier an zwei Leiterplatten 2b, 2c befinden sich die Feldsteuerelemente 3. Diese sind aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehende Zylinderstücke mit als Kugelkappen ausgebildeten Endenbereichen, die mittels Löten und damit mittels Lötzinn 9 mit Leiterbahnen der Leiterplatte 2 verbunden sind. Dazu bestehen die Feldsteuerelemente 3 aus einem weichlötbaren Material, beispielsweise Kupfer oder Messing. Das Zylinderstück kann eine Nut zur Aufnahme des Endbereichs der Leiterplatte 2 besitzen.
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Die Leiterplatten 2 können sich bis auf die von außen zugänglichen Anschlüsse 4, 5, 6 beabstandet zueinander in einer Vergussmasse befinden. Dazu sind die Leiterplatten 2 mit Schraubverbindungen miteinander verbunden.
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Die beiden äußeren Leiterplatten 2b, 2c mit dem ersten und dem dritten Strang sind Feldsteuerbauteile und die mittlere Leiterplatte 2a mit dem zweiten Strang der Messspannungsteiler.
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Die Mäanderform gewährleistet einen minimalen Platzbedarf. Natürlich können die Parallelschaltungen 7, 8 auch geradlinig angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochspannungsmessteiler
- 2
- Leiterplatte
- 3
- Feldsteuerelement
- 4
- Anschluss
- 5
- Anschluss
- 6
- Abgriff
- 7
- erste Parallelschaltung
- 8
- zweite Parallelschaltung
- 9
- Lötzinn
- R
- ohmscher Widerstand
- C
- Kondensator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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