DE2244400A1

DE2244400A1 - Schaltungsanordnung zur messung von wechselspannungen

Info

Publication number: DE2244400A1
Application number: DE2244400A
Authority: DE
Inventors: Franz Brischnik
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1972-08-16
Filing date: 1972-09-09
Publication date: 1974-02-28
Also published as: CH548611A; US3859672A

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Schaltungsanordnung zur Messung von Wechselspannungen

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung von Wechselspannungen, insbesondere von Hochspannungen, mit einem Messumsetzer, der Über eine erste Impedanz an die zu messende Spannung angeschlossen ist.

Hochspannungs-Messchaltungen der vorgenannten Art werden üblicherweise mit einem kapazitiven Spannungsteiler ausgeführt, bei dem parallel zur Unterimpedanz bzw. Unterkapazität ein Messumsetzer angeschlossen ist. Unter "Messumsetzer¹' ist dabei allgemein ein zur Überführung der Messpannung in eine zur Auswertung bzw. Anzeige geeignete Form dienendes Schaltungselement zu verstehen, beispielsweise ein Messverstärker oder auch unmittelbar ein Messgerät, etwa der Spannungspfad eines WiifcLeistungsmessers. Soweit ein solcher Messumsetzer eine vergleichs-

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weise niedrige Eingangsimpedanz aufweist, wird durch die Parallelschaltung zur Unterimpedanz des Spannungeteilers Betrag und Phase des Teilerverhältnisses und damit die abgegriffene Messpannung beeinflusst. Dieser Einfluss könnte zwar grundsätzlich durch Eineichen berücksichtigt werden, jedoch im allgemeinen nur für eine bestimmte Messfrequenz. Ausserden kann im allgemeinen nicht vorausgesetzt werden, dass die Eingangsimpedanz des Messurasetzers einen fUr das vorgesehene Untersetzungsverhältnis und eine gegebene Oberimpedanz des Teilers, z.B. ein Hochspannungskondensator, geeigneten Wirk- und Blindanteil aufweist. Weiterhin gehen bei den bekannten Messchaltungen mit Spannungsteiler die unvermeidlichen parasitären Parallelimpedanzen am Eingang des Messumsetzers, vor allem Schaltungs- und Abschirmkapazitäten gegen Erde, in die abgegriffene Messpannung ein. Insbesondere der hierdurch bedingte Phasenfehler, d.h. die Phasenabweichung zwischen zu messender Spannung und abgegriffener Messpannung, lässt sich nicht ohne weiteres durch Eineichen berücksichtigen. PhasenPehler stören Jedoch vor allem bei der Wirkleistungsmessung bzw. bei der Messung des Verlustwinkels von Grosstransformatoren und Drosselspulen. Ein Phasenfehler von einer Bogenminute hat bei einem Leistungsfaktor von 0,01 bereits einen Fehler bei der Leistungsmessung von etwa j># zur Folge.

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Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Spannungsmessschaltung, die sich durch geringen Einfluss von parasitären Impedanzen im Bereich des Messumsetzers , gleichzeitig aber durch einfachen Aufbau auszeichnet. Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einer Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art dadurch, dass als Messumsetzer ein gegengekoppelter Verstärker mit einem die Verstärker-Eingangsspannung gegenüber der Verstärker-Ausgangsspannung auf vernachlässigbar geringe Werte herabsetzenden Verstärkungs- und Gegdnkopplungsgrad vorgesehen ist und dass eine zweite Impedanz, deren Verhältnis zur ersten Impedanz dem Verhältnis der Ausgangsspannung zu der zu messenden Spannung entspricht, im Gegenkopplungszweig des Verstärkers angeordnet ist.

Bei einer solchen Schaltung gehen sämtliche parallel zum Verstärkereingang liegenden Impedanzen einschliess-Iicn der Eingangsimpedanz des Verstärkers selbst und der hier auftretenden parasitären Impedanzen, insbesondere Erdkapazitäten von Abschirmungen und dergleichen, praktisch nicht in das Untersetzungsverhältnis und damit weder in den Betrag noch in die Phasenlage der Ausgangsspannung des Verstärkers ein. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Eingarigsspannung des Verstärkers bei entsprechend hohem Verstärkungsund Gegenkopplungsgrad'praktisch verschwindet und

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somit an den genannten Parallelimpedanzen keine merkliche Spannung anliegt. Damit werden insbesondere die bei üblichen Spannungsteilerschaltungen auftretenden Phasenfehler vermieden. Die im Gegenkopplungszweig des Verstärkers liegende zweite Impedanz hat im Gegensatz zu den bekannten.Schaltungen nicht die Funktion einer Spannungsteiler-Unterimpedanz und kann von parasitären Parallelimpedanzen weitgehend freigehalten und vergleichsweise einfach sehr genau bemessen, werden. Das Untersetzungsverhältnis kann durch entsprechende Bemessung der zweiten Impedanz in weiten Grenzen eingestellt werden, weil die Ausgangsspannung des Verstärkers im Verhältnis zu der zu messenden Spannung in weitgehender Näherung durch das Verhältnis der zweiten Impedanz zur ersten Impedanz gegeben ist.

Die Umschaltung des Untersetzungsverhältnisses gestaltet sich ebenfalls äusserst einfach, weil ohne Schwierigkeit eine grössere Anzahl von wechselweise oder in wechselnder Kombination in den Gegenkopplungszweig einschaltbaren Impedanzen mit zugehörigen Kondensatoren vorgesehen werden kann. Die parasitären Erdkapazitäten der zugehörigen Schalter gehen wiederum kaum in das Messergebnis ein, weil sie einerseits parallel zum Eingang des gegengekoppelten Verstärkers, d.h. praktisch an einer verschwindend geringen Spannung, und andererseits parallel zu dem niederohmigen Ausgang des Verstärkers liegen.

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Die Erfindung wird weiter anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierin zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Messchaltung mit Operationsverstärker als Messumsetzer,

Fig. 2 das Ersatzschaltbild der Anordnung nach Fig. und

Fig. J5 den Aufbau eines Vierpolgliedes aus dem Gegenkopplungszweig des Verstärkers gemäss Fig. 1.

Gemäss Fig. 1 ist als erste Impedanz Zl ein Pressgaskondensator Cl vorgesehen, an dessen Aussenelektrode 1 die zu messende bzw. zu untersetzende Hochspannung Ul liegt. Dieser Kondensator besitzt eine genau bekannte Kapazität (im folgenden ebenfalls mit Cl bezeichnet) und einen ebensolchen Verlustwinkel . Die" Innenelektrode des Kondensators Cl ist über eine abgeschirmte Leitung mit dem invertierenden Eingang 2 eines Operationsverstärkers V verbunden, dessen nichinvertierender Eingang 3 zusammen mit der Schirmelektrode 4a der Leitung 4 auf Erdpotential liegt. Zwischen dem Ausgang 5 des Verstärkers V und dem invertierenden Eingang 2 liegt eine Mehrzahl von selektiv Über Schalter Sl und S2 ein.-schaltbaren Hauptkondensatoren C21, C22 usw., deren

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Jeder mit einem parallelgeschalteten Stellwiderstand R21, R22 usw. sowie mit einem ebenfalls parallelgeschalteten Stellkondensator C*21_f C*22 usw. versehen

ist. Die vorgenannten Schaltungselemente bilden somit die zweite Impedanz im Gegenkopplungszweig des Verstärkers V. Durch Umschalten zwischen den einzelnen Hauptkondensatoren oder gegebenenfalls durch Einschalten von bestimmten Kombinationen dieser Schaltungselemente lässt sich das Untersetzungsverhältnis in einem weiten Bereich einstellen. Die Stellkondensatoren dienen dabei zur Feineinstellung des Untersetzungsverhältnisses, während die Stellwiderstände eine Feineinstellung des Phasenwinkels für die verschiedenen Messbereiche ermöglichen. Ferner sind in Fig. 1 die parasitären Erdkapazitäten Cs der Schalter Sl und S2 angedeutet, die einerseits parallel zum Eingang und andererseits parallel zum Ausgang des Verstärkers V mit der Ausgangsspannung U2 liegen. An den Verstärker kann eine geeignete Auswerteeinrichtung, beispielsweise ein unmittelbar anzeigendes Messgerät, angeschlossen sein.

Im Ersatzschaltbild gemäss Fig. 2 ist die erste Impedanz Zl mit Cl und dem Verlustwiderstand Rl des Pressgaskondensators angedeutet, ferner diezweite Impedanz Z2 mit aus Haupt- und Stellkondensator bestehendem C2 sowie parallelgeschaltetem Stellwiderstand R2. Parallel zum Eingangswiderstand Re liegt eine Ersatzkapazität Ce, in

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der die Abschirmkapazität der Zuleitung und die eingangsseitige parasitäre Schälterkapazität aus dem Gegenkopplungszweig sowie sonstige parasitäre Kapazitäten enthalten sind. Entsprechendes gilt für die Ausgangskapazität Ca, die parallel zu dem im allgemeinen niederohmigen Lastwiderstand R_T liegt und wegen des geringen ausgangsseitigen Innenwiderstandes des Verstärkers V kaum wirksam ist. Letzterer ist im Ersatzschaltbild durch seine Leer lauf spannung -AUi mit dem Verstärkungs·- faktor A und durch den ausgangsseitigen Innenwiderstand Ro gekennzeichnet. In der Praxis kommt für den Verstärker V vorzugsweise ein chopperstabilisierter Operationsverstärker in Betracht.

Infolge des geeignet hohen Verstärkungsfaktors A und eines entsprechenden Gegenkopplungsgrades über Z2 wird die Eingangsspannung Ui des Verstärkers V auf gegenüber der Ausgangsspannung U2· praktisch verschwindende vierte herabgesetzt, so dass die Eingangskapazität Ce und der Eingangswiderstand Re in die Ausgangsspannung praktisch nicht eingehen.

Unter den genannteriVoraussetzungen gilt für die Ausgangsspannung U2 in Abhängigkeit von der Hochspannung Ul in weitgehender Näherung:

U2 « -U1.Z2/Z1 (1)

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Weiterhin gilt für Zl und Z2:

Zl - Rl/(1 + pTl), Z2 - R2/(l + pT2) (2)

Hierin ist der Heaviside-Operator ρ im stationären Fall nach Abklingen von beim Einschalten auftretenden Ein schwing vorgänge η = jil , während Tl und T2 die Zeitkonstanten Rl.Cl bzw, R2.C2 sind. Insgesamt ergibt sich so fUr Ausgangsspannung:

U2 - -Ul ^α1 TS_LLjL_eT1

In dieser Beziehung sind die Grossen Cl und Tl bzw. Rl aus den Konndaten des Pressgaskondensators mit hoher Genauigkeit bekannt, insbesondere R2 aus dem Verlustwinkel und der Messfrequenz. Die Grossen C2 und T2 sind ebenfalls mit hoher Genauigkeit bekannt und im übrigen wie dargelegt justierbar, so dass die Ausgangsspannung mit hoher Genauigkeit ermittelt werden kann. Insbesondere lässt sich innerhalb eines gegebenen Messfrequenzbereiches Tl = T2 machen, womit -abgesehen vom Frequenzgang des Verstärkungsfaktors A - Frequenzunabhängigkeit für den Bestimmungsausdruck von U2 gemäss Gleichung (3) erreicht ist, weil das Verhältnis zwischen Wirk- und Blindkomponente von.Zl und Z2 den gleichen Frequenzgang aufweist.

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^ . 224UQQ.

Zwecks Vermeidung von ungünstig hohen -_t Impedanzwerten ftlr die einzelnen Schaltungselemente im Gegenkopplung- ■ zweig des Verstärkers kann hier vorteilhaft ein •Vierpolglied Q, mit im allgemeinen vergleichsweise niederohmiger Querimpedanz eingesetzt werden. Insbesondere kommt zweckmässig hier ein Vierpol in T-Schaltung zum ; ■ Einsatz. Ein solcher aus Wirkwiderständen bestehender. ■ Vierpol Q zur Verwirklichung eines extrem hochohmigen Parallel-Trimmwiderstandes R2 durch im einzelnen vergleichsweise' niederohmige Widerstände ist in Fig. j5 · ·'·. gezeigt. Er ist zwischen den Schaltungspunkten K-K in Flg. 1 anzuschliessen. ' . . ■ ·.

Hier sind zwei Widerstände R²I- und R5 in Längszweig mit. einem vergleichsweise niederohmigen Stellwiderstand ΈΟ ■ im Querzweig angeordnet. Der in einer Schaltung gemäss Fig. 2 wirksame Längswiderstand 'eines solchen Vierpols ergibt sich wegen der praktisch verschwindenden Spannung'V Ui, d.h. für ausgangsseitigen Kurzschluss des Vierpols,, als ' ' '· · ■·"""'

R2 = U2/I2·'= R4 + R5 +

Bei entsprechend geringen Werten von Rj5, die bequem . realisierbar sind, ergibt'sich somit ein sehr hoher wirksamer Widerstand R2.. ■ · · "

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Claims

Pa te ntans priic he

lJ Schaltungsanordnung zur Messung von Wechselspannungen, insbesondere von Hochspannungen, mit einem Messumsetzer, der über eine erste Impedanz an die zu messende Spannung · angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Messumsetzer ein gegengekoppelter Verstärker (V) mit einem die Verstärker-Eingangsspannung (Ul) gegenüber der Verstärker-Ausgangsspannung (U2) auf vernachlässigbar geringe Werte herabsetzenden Verstärkungs- und Gegenkopplungsgrad vorgesehen ist und dass eine zweite Impedanz (Z2), deren Verhältnis zur ersten Impedanz (Zl) dem Verhältnis der Ausgangsspannung (U2) zu der zu messenden Spannung (Ul) entspricht, im Gegenkopplungszweig des Verstärkers (V) angeordnet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Messumsetzer ein Operationsverstärker (V) mit einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Eingang vorgesehen ist, dass der niederspannungsseitige Anschluss der ersten Impedanz (Zl) über eine abgeschirmte Leitung an den invertierenden Eingang (2) und die Schirmelektrode (hä) der abgeschirmten Leitung (4) an Erde sowie an den nichtinvertierenden Eingang (3) des Verstärkers (V)

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angeschlossen ist.und dass die zweite Impedanz (Z2) den Ausgang (5) des Verstärkers (V) mit dem invertierenden Eingang (2) verbindet.

j5. Schaltungsanordnung nach Anspruch.2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Impedanz (Z2) mindestens einen Hauptkondensator (C21) und mindestens einen parallel zu einer Hauptkapazität angeschlossener Stellwiderstand (R21) aufweist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Impedanz (Z2) mindestens einen Hauptkondensator (C21) und in Parallelschaltung dazu mindestens einen Stellkondensator (C'2I) aufweist.

5.-Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von wechselweise bzw. in wechselnder Kombination in den Gegenkopplungszweig des Verstärkers (V) einschaltbaren Hauptkondensatoren (C21, C22, ...) vorgesehen ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn-, zeichnet, dass zu mindestens einem der Hauptkondensatoren (C21) ein Stellwiderstand (R21) und/oder ein Stellkonden-

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sator (C'2I) parallelgeschaltet ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die im Gegenkopplungszweig des Verstärkers (V) angeordnete zweite Impedanz (Z2) mindestens ein Vierpolglied (Q) mit mindestens einer Querimpedanz (RjJ) vorgesehen ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, dass ein Längszweig (K-K) des Vierpolgliedes (Q) parallel zu einem Hauptkondensator (C21) im Gegenkopplungszweig des Verstärkers (V) angeschlossen ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7# dadurch gekennzeichnet, dass die Querimpedanz (RjJ) des Vierpolgliedes (Q) als Wirkwiderstand ausgebildet ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Querimpedanz (Rj5) des Vierpolgliedes (Q) als Stellwiderstand ausgebildet 1st.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7# dadurch gekenn«- zeichnet, dass das Vierpolglied (Q) als T-Schaltung ausgebildet ist.

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12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Vierpolglied (Q) im wesentlichen aus Wirkwiderständen (R3* R^* R5) aufgebaut ist und dass der Längszweig (R4, R5) des Vierpols parallel zu einem Hauptkondensator im Gegenkopplungszweig des Verstärkers (V) angeschlossen ist.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen Wirk- und Blindkomponente für die erste und die zweite Impedanz innerhalb eines vorgegebenen Messfrequenzbereiches wenigstens angenähert den gleichen Frequenzgang aufweist.

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