-
Anordnung zum Aufbau von Hochspannungs-Schaltungen Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zum Aufbau von Hochspannungsschaltungen zum Erzeugen oder zum Messen
von hohen Wechsel-, Gleich- oder Stoßspannungen, insbesondere für Experimentierzwecke.
Erfindungsgemäß sind alle für den Aufbau von verschiedenen Schaltungen benötigten
Schaltungselemente nach dem Baukastenprinzip als stabförmige Bauelemente gleicher
Einbaulänge ausgebildet, die alle an ihren beiden Enden gleiche Anschlußarmaturen
aufweisen, über die dieSchaltungselemente mittels metallischer Kupplungsstücke rechtwinklig
oder in gleicher Richtung mit anderen Schaltungselementen verbindbar sind. Die Erfindung
beruht auf der Erkenntnis, daß sich eine große Anzahl von verschiedenen Hochspannungsschaltungen
mit stets gleichartigen Elementen, wie Gleichrichtern, Kondensatoren, Widerständen,
Funkenstrecken usw., aufbauen läßt und daß bei einer Festlegung der Höhe einer Wechselspannungsquelle
sämtliche spannungsbeanspruchten Bauelemente mit derselben Isolierlänge ausgeführt
werden können, da bei diesen Schaltungen konzentrierte Induktivitäten im allgemeinen
nicht verwendet werden und daher Spannungsresonanzerscheinungen nicht auftreten.
-
Durch die Erfindung wird eine Reihe von wesentlichen Vorteilen erzielt.
So ermöglicht diese Anordnung einen schnellen, bequemen und äußerst übersichtlichen
Aufbau und Umbau bei einer Vielzahl von Hochspannungsschaltungen mit einer im Vergleich
zu festen Apparaten verhältnismäßig geringen Zahl gleicher Bauelemente. Insbesonders
ergibt die Anordnung im allgemeinen einen richtigen Aufbau in bezug auf die Isolationsbemessung.
Die bei sonstigen provisorischen Hochspannungsaufbauten nur schwer durchführbare
Sprühfreiheit läßt sich durch die Art der Gestaltung aller Einzelteile bei allen
Schaltungsaufbauten gewährleisten. Der Raumbedarf für den Aufbau der verschiedenen
Hochspannungsschaltungen mit einer Anordnung gemäß der Erfindung wird geringer als
bei den bekannten bisher gebräuchlichen Hochspannungsapparaten; eine ganz erhebliche
Raumeinsparung erhält man insbesondere bei der Aufbewahrung der in seine Einzelheiten
zerlegbaren Anordnung. Die Anordnung gemäß der Erfindung ist daher vorzüglich für
Hochspannungslaboratorien von Lehranstalten, für das Hochspannungspraktikum von
Technischen Hochschulen, höheren Technischen Lehranstalten und Ingenieurschulen,
sowie auch für Industrie-Hochspannungs-Laboratorien geeignet. Durch die Erfindung
werden auch die Beschaffungskosten für solche Hochspannungsanlagen verringert und
eine bequeme Erweiterungsmöglichkeit zu einem späteren Zeitpunkt geschaffen.
-
Wohl ist schon ein Hochspannungsgenerator zur Erzeugung von Stoßspannungen
bekanntgeworden, der nach Art eines Baukastensystems aufgebaut ist, indem jede Stufe
des Generators, bestehend aus einem Stoßkondensator, zwei Ladewiderständen, einem
Dämpfungswiderstand, einem Entladewiderstand und einer Funkenstrecke, für sich eine
konstruktive Einheit, ein Bauelement bildet. Diese unter sich gleichen Einheiten
oder Bauelemente werden aufeinandergesetzt, und zwar in der je nach der gewünschten
Höhe der Stoßspannung erforderlichen Zahl (Stufenzahl des Stoßgenerators). Das hier
angewendete Baukastensystem ermöglicht also den Aufbau eines Stoßgenerators, dessen
Stufenzahl beliebig gewählt und auch nachträglich erhöht oder erniedrigt werden
kann. Mit diesem bekannten Baukastensystem kann aber immer nur ein Stoßspannungsgenerator
einer ganz bestimmten Schaltung aufgebaut werden. Denn die konstruktive Einheit,
das Bauelement, bestehend aus Stoßkondensator, Funkenstrecke und vier Widerständen,
ist im inneren Aufbau fest und kann nicht verändert werden. Das hier verwendete
Baukastenprinzip dient also lediglich dem Zweck, den Aufbau eines Stoßgenerators
in der Richtung zu vereinfachen, daß seine Stufenzahl und damit
seine
Gesamtspannung beliebig gewählt und auch nachträglich erhöht oder erniedrigt werden
kann. Bei der Anordnung gemäß der Erfindung handelt es sich zwar auch um die Anwendung
des sogenannten Baukastenprinzips, jedoch zu einem gänzlich anderen Zweck, nämlich
zum Aufbau einer Mehrzahl von verschiedenen Hochspannungsschaltanordnungen. Während
das bei dem vorbekannten Stoßspannungsgenerator verwendete Baukastensystem lediglich
eine Vervielfachung einer ganz speziellen Schaltung ermöglicht, erlaubt die Benutzung
des Baukastenprinzips bei der Erfindung die Erstellung einer Vielfalt beliebiger
Schaltanordnungen. Dementsprechend wird bei der Erfindung das Baukastenprinzip auf
eine grundsätzlich andere Art als bei dem bekannten Stoßgenerator verwirklicht.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung sind die
Bauelemente, welche innerhalb von Schaltungsanordnungen mit hohen Spannungen beansprucht
werden und daher für eine gewisse Spannung isoliert sind (sie seien zur besonderen
Kennzeichnung »Schaltungselemente« genannt), so ausgebildet, daß sie wahlweise senkrecht
stehend oder hängend oder in horizontaler Lage, gegebenenfalls einseitig gehaltert,
eingebaut werden können. Diese Schaltungselemente sind zweckmäßig in z. B. aus Hartpapier
bestehenden Isoliermänteln untergebracht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sie
außen, z. B. auf ihrem Isoliermantel, Symbole aufweisen, die (vorzugsweise auch
aus größerer Entfernung erkennbar) anzeigen, um welches Schaltungselement (zweckmäßig
mit seinen elektrischen Daten) es sich jeweils handelt. Dadurch wird der Aufbau
an sich und eine einwandfreie Überprüfung der jeweils aufgebauten Schaltung sehr
erleichtert. Für die Aufstellung der einzelnen Bauelemente auf dem Boden und die
gleichzeitige elektrische Verbindung der Schaltungselemente mit dem im allgemeinen
geerdeten Pol dienen gemäß der Erfindung Fußteile mit vier um 90° am Umfang versetzten
Bohrungen, in welche zur elektrischen und mechanischen @Verbindung dienende Distanzrohre
oder -stäbe einrastend einsteckbar sind, deren Länge der Einbaulänge der Schaltungselemente
angepaßt ist. Jedes Fußteil ist weiterhin so ausgebildet, daß in vertikaler Richtung
eines der Bauelemente aufsteckbar ist. Für manche Fälle kann es vorteilhaft sein,
auch für die Aufhängung einzelner Elemente Fußteile vorzusehen, die an der Decke
oder an einer Wand zu befestigen sind und mit. einem Gewindebolzen zum Aufschrauben
eines Bauelementes versehen sind. Zur sonstigen Verbindung der Schaltungselemente.
sind metallische Kupplungs- oder Verbindungsstücke (Knotenpunkte) vorgesehen, die
vorzugsweise derart ausgebildet sind, daß sie auf ein senkrecht stehendes Bauelement
aufsetzbar sind und vier Bauelemente in waagerechter sowie ein Bauelement in senkrechter
Richtung in das Verbindungsstück (Knotenpunkt) einsteckbar sind. Die zur direkten
elektrischen Verbindung bestimmter Knotenpunkte benötigten Verbindungsleiter können
aus einem Metallrohr oder aus einem in einem Isoliermantel untergebrachten metallischen
Leiter mit den gleichen Anschlußmaßen und den gleichen Anschlußarmaturen bestehen,
wie sie die übrigen Bauelemente aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es ferner,
wenn die zum. Einsetzen der Bauelemente in die Fußteile bzw. Verbindungsstücke (Knotenpunkte)
dienenden Teile der beiden Anschlußarmaturen jedes Bauelementes in die seinen Isoliermantel
abschließenden Metallkappen einsetzbar, vorzugsweise einschraubbar ausgebildet und
die Metallkappen selbst derart gestaltet sind, daß ein jeweils nicht benötigtes
Bauelement auf der einen oder anderen Metallkappe stehend, .abgestellt werden kann.
-
Die F i g. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung als Ausführungsbeispiel
für eine Anordnung gemäß der Erfindung eine zweistufige Stoßspannungsanlage, während
in den F i g. 2, 3 und 4 Einzelteile dargestellt sind, nämlich ein einen Kondensator
enthaltendes Bauelement, eines der Kupplungs- oder Verbindungsstücke (Knotenpunkte)
und eines von den Fußteilen. Die F i g. 5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel
wieder in perspektivischer Darstellung eine Anlage zur Gleichspannungserzeugung
und -messung, während in den F i g. 6 und 7 die Schaltbilder für die Anlagen gemäß
F i g. 1 und 5 gezeichnet sind.
-
Die in F i g. 1 dargestellte zweistufige Stoßspannungsanlage, die
von einem Hochspannungstransformator T gespeist wird, welcher beispielsweise als
Trockentransformator mit Gießharzisolation, aber auch als Öltransformator, z. B.
in Isoliermantelbauweise ausgeführt sein kann, ist aus zwei Gleichrichter, vorzugsweise
Selengleichrichter enthaltenden, Bauelementen GS, aus zwei Stoßkondensatoren enthaltenden
Bauelementen CS, einem einen Ladewiderstand enthaltenden Bauelement RL, zwei einen
Dämpfungswiderstand enthaltenden Bauelementen RD, ferner zwei Kugelfunkenstrecken
enthaltenden Bauelementen KF und zwei einen Entladewiderstand enthaltenden Bauelementen
RE sowie zwei einen Belastungskondensator enthaltenden Bauelementen CB aufgebaut,
wie aus dem Schaltbild der F i g. 6 zu erkennen ist. Außerdem dienen zum Aufbau
. dieser Anlage eine Anzahl von ebenfalls als Bauelemente ausgebildeten Isolierstutzern
IS und von ebenfalls als Bauelemente ausgebildeten Verbindungsleitern V.
Alle diese Bauelemente weisen gleiche Anschlußmaße und gleiche Anschlußarmaturen
auf und sind, wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, so ausgebildet, daß sie durch metallische
Verbindungsstücke, genannt Knotenpunkte K (ein solcher Knotenpunkt ist in F i g.
3 dargestellt), mechanisch und elektrisch verbindbar sind. Für die auf dem Boden
aufzustellenden Bauelemente sind Fußteile F vorgesehen, die - wie die F i g. 4 zeigt
- mit vier um 90° am Umfang versetzten Bohrungen 11 versehen sind, in welche zur
elektrischen und mechanischen Verbindung der einzelnen Fußteile untereinander dienende
Distanzrohre D (oder Distanzstäbe) einrastend einsteckbar sind. Die Länge der Distanzrohre
D entspricht der Einbaulänge der Bauelemente CB, CS, GS usw. Mit 12 sind in F i
g. 4 Knöpfe bezeichnet, mit denen die Rasten für die Festlegung der in die Bohrungen
11 eingesteckten Distanzrohre D angehoben werden können, wenn die Distanzrohre beim
Abbau der Anlage herausgezogen werden sollen.
-
Jedes Fußteil F weist ferner in der Mitte eine Bohrung 13 auf, welche
zum Aufstecken eines der Bauelemente in vertikaler Richtung dient. Wie die F i g.
3 erkennen läßt, ist jedes der metallischen Verbindungsstücke bzw. Knotenpunkte
K derart ausgebildet, daß es auf ein senkrecht stehendes Bauelement aufsetzbar ist
und vier Bauelemente in waagerechter sowie ein Bauelement in senkrechter Richtung
in das Verbindungsstück einsteckbar sind. Zum Aufsetzen des Verbindungsstückes K
auf ein senkrecht stehendes
Bauelement und zum Einstecken eines
auf das Verbindungsstück in senkrechter Richtung aufsteckbaren weiteren Bauelementes
dient die in der Mitte das Verbindungsstück K durchsetzende Bohrung 14. Vier um
90° am Umfang vorgesehene Ausnehmungen 15 dienen zum Einhängen von maximal vier
Bauelementen, welche in waagerechter Richtung in die Anlage einzubauen sind. Die
in F i g. 3 mit 16 bezeichneten vier, das Verbindungsstück durchsetzenden Bohrungen
sind lediglich zur Verringerung des Gewichtes und zur Materialersparnis der vorzugsweise
aus Aluminiumguß hergestellten Verbindungsstücke K vorgesehen. Das in F i g. 2 dargestellte,
einen Belastungskondensator enthaltende Bauelement CB besteht aus einem z. B. aus
Hartpapier hergestellten Isoliermantel oder Isolierrohr 17, in dem der Kondensator
untergebracht ist. An den beiden Enden des Isoliermantels 17 sind metallische Abschlußkappen
18 vorgesehen, in welche je ein Ansatzstück 19 einschraubbar ist, und zwar ist das
untenliegende Ansatzstück 19 im eingeschraubten Zustand, das obere Ansatzstück 19
im ausgeschraubten Zustand dargestellt. Diese Ansatzstücke 19 sind so ausgebildet
und bemessen, daß sie einerseits zügig in die Mittelbohrungen 13 der Fußteile sowie
in die Mittelbohrungen 14 der Verbindungsstücke (Knotenpunkte) K eingeführt werden
können; andererseits sind die Ansatzstücke 19 so ausgebildet, daß sie in die Ausnehmungen
15 der Verbindungsstücke K zwecks waagerechter Anordnung der betreffenden Bauelemente
eingehängt werden können. Man könnte die Abschlußkappen 18 mit den Ansatzstücken
19 einteilig herstellen; vorteilhafter ist jedoch, wenn die Ansatzstücke 19 entfernbar
sind, weil man dann die jeweils nicht benötigten Bauelemente bequem auf der einen
oder anderen, eine ebene Grundfläche aufweisenden Metallkappe 18 stehend ab- oder
wegstellen kann. Ebenso wie das in F i g. 2 dargestellte Bauelement CB sind auch
die anderen Bauelemente GS, RE, CS und auch die Isolierstützer JS sowie die
Verbindungsleiter V ausgebildet. Die beiden in F i g. 1 mit KF bezeichneten, je
eine Kugelfunkenstrecke enthaltenden Bauelemente weisen - wie ersichtlich -eine
etwas andere Ausbildung des Isoliermantels auf, haben aber, wie schon gesagt, die
gleichen aus F i g. 2 ersichtlichen Anschlußmaße und die gleichen Anschlußarmaturen
18, 19. Mit A ist in F i g. 1 ein Motor für die Verstellung der in den Bauelementen
KF untergebrachten Funkenstrecken bezeichnet. Dieser Motor ist so ausgebildet, daß
er auf eines der Distanzrohre D aufsetzbar und dort feststellbar ist, und mit einer
Isolierwelle JW versehen, die parallel neben einem der Bauelemente, in F i g. 1
neben einem Isolierstützer JS, zu dem Verstellorgan für die untere der beiden in
F i g. 1 dargestellten Funkenstrecken .geführt ist. In dem diese Funkenstrecke enthaltenden
Bauelement KF ist die von dem Motor A angetriebene Isolierwelle JS mit einer weiteren
darüber befindlichen IsolierwelleJW kuppelbar, die zu dem Verstellorgan für die
in F i g. 1 oben sichtbare Funkenstrecke geführt ist.
-
Das in F i g. 2 einen Belastungskondensator enthaltende Bauelement
CB ist vorzugsweise ebenso wie die Bauelemente CS und GS mit Isolierflüssigkeit,
z. B. C51, gefüllt. Diese flüssigkeitsisolierten Bauelemente sind hermetisch mittels
eines die Wärmeausdehnung des Isoliermittels gestattenden Dehnkörpers, z. B. eines
Faltenbalgs abgeschlossen. Statt Anordnung eines solchen Faltenbalgs kann man aber
auch einen Wandungsteil des Bauelements elastisch ausbilden, um die Wärmeausdehnung
des Isoliermittels zu ermöglichen. Mindestens eine der Abschlußkappen 18 dieser
flüssigkeitsisolierten Bauelemente wird dann zweckmäßig so ausgebildet, daß man
nach Ausschrauben des Ansatzstückes 19 an die Öleinfüllöffnung heran kann. Die die
anderen Schaltungselemente, z. B. Dämpfungswiderstände und Entladewiderstände enthaltenden
Bauelemente können gegebenenfalls mit Entlüftungsöffnungen versehen sein, um eine
Kühlung der in ihnen untergebrachten Schaltungselemente zu ermöglichen.
-
Wie in der F i g. 2 angedeutet ist, werden die einzelnen Bauelemente
mit Symbolen versehen, die von außen, zweckmäßig auch aus größerer Entfernung sichtbar
auf dem Isoliermantel 17 angebracht sind und anzeigen, um welches Schaltelement
es sich jeweils bei dem betreffenden Bauelement handelt. So trägt z. B. das in F
i g. 2 dargestellte, einen Belastungskondensator enthaltende Bauelement CB als Symbol
die Angaben »140 kV = 1200 pF« und dazwischen das Schaltsymbol für einen Kondensator.
In der F i g. 1 sind die einzelnen Bauelemente, mit Ausnahme der Isolierstützer
JS, der Einfachheit halber nur mit den betreffenden Schaltsymbolen versehen. Die
Bauelemente V sind zum Zeichen dafür, daß sie lediglich Verbindungsleiter zur direkten
elektrischen Verbindung zweier Knotenpunkte K enthalten, mit einer durchgehenden
gestrichelten Linie versehen. Die Isolierstützer JS weisen keine Symbole auf, weil
sie nur Stützerfunktionen auszuüben haben. An Stelle der in F i g. 1 dargestellten,
Verbindungsleiter enthaltenden Bauelemente V kann man auch einfache Metallrohre
verwenden, die also nicht von einem Isoliermantel umhüllt sind, jedoch wieder die
gleichen Anschlußmaße und die gleichen Anschlußarmaturen aufweisen wie die übrigen
Bauelemente.
-
In der F i g. 5 ist als weiteres Ausführungsbeispiel für eine Anordnung
gemäß der Erfindung eine Anlage zur Gleichspannungserzeugung und -messung perspektivisch
dargestellt. Die Schaltung dieser Anlage ist aus der F i g. 7 ersichtlich. Diese
Anlage, die wieder von dem Transformator T gespeist wird, ist aus den beiden Gleichrichter
enthaltenden Bauelementen GS, dem einen Kondensator enthaltenden Bauteil CS, einem
einen Vorwiderstand enthaltenden Bauelement R V und einem einen Meßwiderstand enthaltenden
Bauelement RM, sowie zwei Isolierstützern JS, vier Fußteilen F und vier Verbindungsstücken
(KnotenpunkteK) aufgebaut. Die BauelementeRV und RM, die zum Aufbau der Stoßspannungsanlage
gemäß F i g. 1 nicht benötigt werden, weisen die gleiche Ausbildung auf wie die
übrigen Bauelemente." Dabei ist zu bemerken, daß das einen Meßwiderstand enthaltende
Bauelement RM zweckmäßig auch flüssigkeitsisoliert ist, und daß die untere Klemme
dieses Meßwiderstandes nicht an die untere Anschlußarmatur, sondern an eine am unteren
Ende des Isbliermantels vorgesehene Anschlußklemme geführt ist; denn wie aus F i
g. 7 ersichtlich ist, wird dieser Meßwiderstand nicht direkt, sondern über ein Strommeßgerät
20 an Erde gelegt. Ein weiteres Bauelement ES, welches einen Erdungsschalter
enthält, ist in F i g. 5 eingezeichnet; es wird mittels der schematisch angedeuteten
Laschen 21, 22 an dem Bauelement CS elektrisch und mechanisch befestigt. Das Bauelement
ES weist einen Isoliermantel auf, der in
seinem Durchmesser und
seiner äußeren Gestalt von der Isoliermantelausbildung der übrigen Bauelemente abweicht,
jedoch wieder die gleichen Anschlußmaße und zweckmäßig auch die gleichen Anschlußarmaturen
aufweist, damit er auch gegebenenfalls für sich auf ein Fußteil.F aufsteckbar und
mit einem Verbindungsstück K verbindbar ist.
-
Mit einer Anordnung gemäß der Erfindung lassen sich in der oben erläuterten
Art und Weise auch noch andere Hochspannungsanlagen aufbauen, z. B. eine einstufige
Stoßspannungsanlage, ferner Gleichspannungs-Vervielfachungsschaltungen, oder eine
Anlage zur Wechselspannungserzeugung und zur Messung in Verbindung mit Prüflingen.
Zum Aufbau bestimmter solcher Schaltungsanordnungen benötigte weitere Elemente,
wie z. B. eine Meßfunkenstrecke (Kugelfunkenstrecke mit Hand- und Motorantrieb),
eine Funkenstrecke mit einsetzbaren Elektroden verschiedener Form und Handantrieb
zur Einstellung des Elektrodenabstandes, ein Druckkessel mit verschiedenen Einsätzen
(z. B. einem ölprüfgerät oder einer Koronareuse), erhalten zweckmäßig auch die gleichen
Anschlußmaße und mindestens eine gleiche Anschlußarmatur wie die oben beschriebenen
Bauelemente, damit auch diese Elemente trotz ihrer sonst anderen räumlichen Gestaltung
sich in den baukastenartigen Aufbau gut einfügen lassen. Bei einigen dieser Elemente
empfiehlt sich ihr fester Zusammenbau mit einem Fußteil, in dem man dann beispielsweise
einen Servomotor (Antriebsmotor), eine Meßuhr oder Druclduftanschlüsse unterbringen
kann.
-
Ausgehend von der überlegung, daß einerseits alle grundlegenden Erscheinungsformen
der Hochspannungstechnik gut erkennbar sein sollen, andererseits der Raum- und Kostenaufwand
für die Anordnung gemäß der Erfindung in vertretbaren Grenzen bleiben soll, empfiehlt
es sich, die Bauelemente für eine größte Experimentier-Wechselspannung von 100 kV
bzw. 140 kV Gleichspannung auszulegen. Dann liefert die zweistufige Stoßspannungsanlage
gemäß F i g. 1 (bzw. F i g. 6) eine Stoßspannung von 260 kV, eine- Stoßspannungsanlage
in einstufiger Ausführung eine Stoßspannung von 130 kV. Die in F i g. 5 (bzw. F
i g. 7) dargestellte einstufige Gleichspannungsanlage liefert eine höchste Spannung
von 130 kV (unter Berücksichtigung des Spannungsabfalles an den Gleichrichtern);
die gleiche Anlage in zweistufiger Ausführung durch eine Verdopplerschaltung würde
dementsprechend eine Gleichspannung von 260 kV ergeben. Bei einer derartigen Bemessung
der Bauelemente ergibt sich ferner der Vorteil, daß das Gewicht des schwersten von
den Bauelementen, deren Isolationslänge im Hinblick auf die Verwendbarkeit im Wechsel-,
Gleich- und Stoßspannungsbetrieb einheitlich auf 500 mm festgelegt wird, nur etwa
11 kg beträgt, wodurch der Transport und der Zusammenbau der Bauelemente erleichtert
wird.