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Spannungsteiler besonders für hohe Spannungen Zur Reduktion von mit
der Kontakt spitze .eines sogenannten Tastkopfes abtastbaren hohen Spannungen auf
wesentlich niedrigere Werte, die z.B. zur Steuerung eines Oszillografen dienen,
sind Spannungsteiler bekannt, bestehend aus einem .an die Kont akt spitze angeschlossenen
hochohmigen im gasgefüllten Hohlraum eines geerdeten Schutzgehäuses liegenden ersten
Widerstand sowie einem zwischen diesem und Erde liegenden entsprechend dem Teilerverhältnis
kleineren zweiten Widerstand, der zusammen mit Kompensationsgliedern in einem gesonderten
Gehäuse untergebracht ist. Der Spannungsteilerpunkt liegt zwischen diesen beiden
Widerständen. Die zwischen dem ersten Widerstand und seinem geerdeten Schutzgehäuse
bestehenden Kapazitätswerte haben zur Folge, daß schnelle, insbesondere sprungweise
Änderungen der abgetasteten hohen
Spannung nicht ohne weiteres am
SpannunGsteilerpunkt in reduzierter Skala abgebildet werden, sondern die geteilte
Spannung ein verzögerndes und störendes Einschwingverhalten zeigt, solange nicht
eine Kompensation vorgenommen wird mit den vorgenannten Kompensationsgliedern, die
aus zu dem zweiten Widerstand parallel geschalteten Serienschaltungen von regelbaren
Widerständen und Kapazitäten bestehen.
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Die Einstellung der Kompensation ist hierbei jedoch nicht ganz einfach,
im Verlauf der Einstellung mehrerer RegelSlieder müssen meist Korrekturen der vorher
vorgenommenen Einstellungen vorgenommen werden.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsteiler mit einem ersten,
zusammen mit einem in seiner Nähe liegenden Metallkörper eine Impedanz mit kapazitivem
Anteil ergebenden ohmschen Widerstand und einem zweiten, mit einstellbaren Kompensationsgliedern
versehenen ohmschen Widerstand.
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Durch die Erfindung wird eine Reihe wesentlicher Vorteile gegenüber
dem Bekannten erzielt bzw. erzielbar: eine Vereinfachung der Kompensationseinstellung,
geringerer Raumbedarf und geringerer Leistungsbedarf des Teilers, geringere Temperaturabhängigkeit
und geringerer Wartungsbedarf.
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Bei einem Spannungsteiler der vorgenannten Art ist erfindunsgemäß
vorgesehen,idaß die Impedanz des ersten ohmschen Widerstands nebst Metallkörper
in einem den zweiten ohmschen iderstand
und die einstellbaren Glieder
enthaltenden Kompensationsnetzwerk teilabschnittsweise mit Bezug auf aufeinanderfolgende
Teilabschnitte des ersten Widerstands nachgebildet it. Insbesondere ist vorgesehen,
daß das Kompensationsn<.tzerk durch eine zwischen dem Spannungsteilerpunkt und
einem festen, insbesondere Erd- bzw. Massepotential liegende den zweiten ohmschen
Widerstand bildende Kette von Teilwiderständen sowie durch Kapazitäten gebildet
ist, die zwischen Abgriffspunkten der Kette und dem festen Potential liegen, und
daß die oder ein Teil der Teilwiderstände oder/ und Eapazitaten regelbar sind.
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Die Erfindung sieht dabei weiter vor, daß der in der Nähe des ersten
ohmschen Widerstands liegende Metallkörper mit dem Spannungsteilerpunkt leitend
verbunden ist.
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Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des Spannungsteilers besteht darin,
daß der Metallkörper ein den ersten ohmschen Widerstand mit Abstand umschließendes
erstes Gehäuse oder Teil eines solchen Gehäuses ist, und dies erste Gehäuse mit
Abstand von einem zweiten, an festes, insbesondere Erd- oder Massepotential angeschlossenen
Gehäuse umschlossen ist.
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Weitere erfindungsgemäße Maßnahmen bestehen dabei darin, daß die Kapazität
des zweiten Gehäuses gegen das erste in einem Nachbildungsglied des Kompensationsnetzwerks
berücksichtigt ist, sowie daß die inneren Abstandsräume des ersten
und
vorzugsweise auch des zweiten Gehäuses mit einer hochspannungsfesten aushärtenden
Masse vergossen sind.
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Ein Ausfiihrungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der
Zeichnungen erläutert.
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Figur 1 zeigt einen gemäß der Erfindung ausgebildeten Spannungsteiler
für hohe Spannungen, wobei der den ersten Widerstand enthaltende Teilerzweig detailliert
ist.
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Figur 2 zeigt ein Ersatzschaltbild für den ersten Widerstand nebst
dem ihn umgebenden Metallgehäuse, Figur 3 zeigt eine Ausführungsform und Figur 4
eine weitere Ausführungsform des Kompensationsnetzwerks, Figur 5 verdeutlicht den
Zusammenhang zwischen der räumlichen Anordnung der Einstellungsglieder des Kompensationsnetzwerks
und ihrem Einflußbereich im Verlauf der geteilten Spannung über der Zeitachse.
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Gemäß Fig.1 liegt zwischen einem Punkt A, an den eine variable hohe
Spannung Uh anlegbar ist, und einem Spannungsteilerpunkt B, von dem eine zu Uh proportionale
stark reduzierte Spannung abgenommen werden soll, ein ohmscher Widerstand R1 von
z.B. 200 Megohm. Er wird mit Abstand umschlossen von einem zylindrischen Gehäuse
G1, von dem mindestens der Zylindermantel, der gegebenenfalls gitterartig durchbrochen
sein kann, aus Metall besteht. Das Gehäuse bzw. sein metallischer Teil
ist
leitend mit dem Spannungsteilerpunkt B verbunden. Das Gehäuse Gl ist mit Abstand
von einem zylindrischen Metallgehause G2 umschlossen, das mit Masse verbunden ist.
Der Anschluß nach A ist von beiden Gehäusen und der Anschluß nach B vom Gehäuse
G2 isoliert. Die Abstandsräume zwischen' den Gehäusen Gl und G2 sowie zwischen dem
Gehäuse G1 und dem Widerstand Rl sind mit einer hochspannungsfesten aushartenden
Masse 5, z.B. aus Silikonkautschuk,durch Vergießen ausgefüllt. Zwischen Punkt B
und Punkt M (Masse) liegt ein Kompensationsnetzwerk K, dessen Ausbildung weiter
unten beschrieben wird. Das Teilerverhältnis zwischen den Spannungsteilerzweigen
A - B und iMsei N : 1, beispielsweise 1000 : 1.
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Die Anordnung des Widerstands Ri mit dem an der Seite des Spannungsteilerpunkts
an ihn angeschlossenen Gehäuse G1 bildet einen Zweipol zwischen den Punkten A und
B, dessen Impedanz = frequenzabhängiger Widerstand, wenn man den Punkt B an Masse
legt, gemessen werden kann und näherungsweise der der in Figur 2 dargestellten Ersatzschaltung
entspricht.
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Bei dieser ist der Widerstand Rl durch zwischen A und B in Serie liegende
gleichgroße Teilabschnitte AR1 des Gesamtwiderstands ersetzt, der kapazitive Anteil
jedes Abschnitts AR1 gegenüber dem Gehäuse ist jeweils durch eine Kapazität AC1
dargestellt.
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Die Impedanzfunktion des Netzwerkes nach Figur 2 lautet 31(p) = #R1
.
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wobei die Frequenzfunktion G(p) Glieder mit p.T= p.#R1.#C1 enthalt,
deren Exponent von Null bis n ansteigt, wenn n die Anzahl der gewählten Teilungen
in Figur 2 ist.
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Fügt man zwischen B und Masse nun ein gleich aufgebautes Netzwerk
ein, dessen #R2 = (1/N).#R1 und dessen #C2 = N.#C1 ist, so folgt dessen Impedanz
der Funktion g2(p) = #R2 . G(p).
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Die Frequenzfunktion G(p) ist unverändert geblieben, daT und die Stufenzahl
n beibehalten wurden.
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Das Teilungsverhältnis zwischen A und B bezüglich Masse ist damit
frequenzunabhängig geworden, da es sich als
ergibt.
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Natürlich ist die Nachbildung der Impedanzfunktion der Anordnung 21,G1
in dem Netzwerk der Figur 2 nur eine naherungsweise entsprechend der Anzahl der
gewählten Teilabschnitte, die zudem infolge mechanischer und anderer Ungenauigkeiten
nicht völlig homogen sind.
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Das Kompensationsnetzwerk K in Figur 1 ist nun in seiner Konfiguration
dem Netzwerk der Figur 2 entsprechend aufge-AR2 AC2 baut, wobei seine Teilwiderstände/und
Teilkapazitäten/sich zu denen der Anordnung R1,G1 entsprechend dem Spannungsteilverhltnis
so verhalten, wie weiter oben für das zwischen B und Masse eingefügte Netzwerk angegeben,
und wobei ferner mindestens ein Glied jeder Stufe oder der Mehrzahl der Stufen um
den genannten Wert herum regelbar ist. Nach Figur 3 sind die Kapazitäten, nach Figur
4 sind die Teiliderstnde regelbar, es kann auch vorgesehen werden, daß sowohl die
Widerstands- als auch die Kapazitätswerte regelbar sind.
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Die in Figur 4 unmittelbar zwischen B und M liegende Kapazität ist
in ihrer Größe so gewählt, daß die Kapazität des Gehäuses G 2 gegen das Gehäuse
Gl in ihr mit beriicksichtigt ist, ebenso wie gegebenenfalls die Kapazität eines
abgeschirmten Kabels zwecks Verbi.ndung zwischen einem Oszillographen und der Teileranordnung.
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In Figur 5 ist ein Kompensationsnetzwerk wie das nach Figur 4 nochmals
teilweise dargestellt, darüber ist über einer Zeitachse t der gewünschte rechteckige
Verlauf der Spannung Ug am Punkte B gegenüber Masse dargestellt, wenn Uh ebenfalls
rechteckförmig verläuft. Wie durch die gestrichelten Linien sinnfällig verdeutlicht,
besteht als Folge der abschnittsweisen Impedanznachbildung ein Zusammenhang zwischen
der Abfolge der Einstellglieder des Kompensationsnetzwerks und ihrem Einflußbereich
im Verlauf der geteilten Spannung über der Zeitachse, der die Durchführung erforderlicher
Justierungen wesentlich erleichtert, wie sie beispielsweise erforderlich sind, um
einen auf einem Oszillographen
sichtbaren, in Figur 5 punktiert
angedeuteten Spannungsverlauf in die Recbteckform zu korrigieren.
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Der zwischen den Punkten A und B liegende Zweig des beschriebenen
Spannungsteilers kann als Abtastkopf für hohe Spannungen verwendet werden, welcher
an dem geerdeten äußeren Gehäuse G2 angefaßt wird, aus dem eine Abtastspitze mit
dem Ende A herausragt. Gegebenenfalls können der Zweig A-B und das Kompensationsnetzwerk
innerhalb desselben Gehäuses G2 Platz finden. Bei anderen Verwendungen des Spannungsteilers,
insbesondere wenn keine Störfelder zu befürchten sind, die die Spannung des Gehäuses
G1 beeinflussen, kann das äußere Gehäuse G 2 gegebenenfalls auch weggelassen werden.
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zeigen der erleichterten Kompensation kann in dem zwischen A und B
liegenden Zweig des Spannungsteilers mit einem größeren ohmschen Widerstand und
größerer Kapazität als bisher üblich gearbeitet werden, d.h. es kann einmal die
Leistungsaufnahme, damit die Erwärmung und die Temperaturabhängigkeit vermindert
werden, zum anderen können die kapazitäterzeugenden Abstände verkleinert werden
im Interesse einer Verminderung des Raumbedarfs. Die Verwendung einer hochsnannungsfesten
Vergußmasse kommt dem ebenfalls entgegen, außerdem ergibt sie eine stabile gegenseitige
halterung der Teile R1, G1 und G2. Daneben erfordert sie, im Gegensetz zu einer
Gasfüllung, keine Wartung.