DE2508033A1 - Kapazitaets- und verlustfaktormesseinrichtung mit selbsttaetiger abgleichung - Google Patents

Description

• Kapazitäts- und Verlustfaktormeßeinrichtung mit selbsttätiger Abgleichung Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Messung der Kapazität und des Verlustfaktors eines elektrischen Kondensators.
• Der Prüfling Cd und der Vergleichskondensator 0N (Normalkondensator, bei Hochspannung ein Preßgaskondensator) werden an die gleiche Prüfspannung gelegt. Die von der Spannung eingeprägten Kapazitätsströme fließen über je einen Stromwandler, an dessen Bürden den Strömen proportionale Spannungen-abgenommen werden.
• Da der Verbrauch der Stromwandler elektronisch kompensiert wird, ist der Einfluß ihrer primären Impedanz auf den tanö der Kondensatoren praktisch zu vernachlässigen. Die den Kapazitäten und CN proportionalen Spannungen werden in der Vergleichsstufe so aufbereitet, daß die Differenz der Spannungen dem Meßbereich des komplexen Kompensators entspricht. Dieser mißt selbsttätig abgleichend diese Differenz getrennt nach der reellen und imaginären Komponente. Diesen Komponenten proportionale Gleichspannungen werden an die Rechenstufe weitergegeben. Die Rechenstufe führt eine Division zur Ermittlung des tanb aus. Zur Messung geerdeter Objekte wird der Kapazitätsstrom von Cx über einen potentialfreien Stromwandler geleitet, von dessen Bürde ebenfalls eine Spannung abgegriffen wird, die über einen Lichtleiter in die Einrichtung gegeben wird. Der in dem Gerät verwendete komplexe Kompensator ist bekannt und entspricht im Prinzip dem in der Veröffentlichung: E. Zinn, Komplexer Wechselspannungskompensator mit selbsttätiger Abgleichung, Arch. f. techn. Messen .J 94 - 16 (April 1973) und in der Patentauslegeschrift 2116826, Komplexer Wechselstromkompensator mit selbsttätiger Abgleichung" erwähnten Gerät bis auf einige Änderungen und Verbesserungen, die im folgenden besonders erwähnt werden.
• Bekannt sind selbsttätig abgleichende Kapazitäts- und Verlustfaktormesseinrichtungen, bei denen in einer Brückenschaltung die reelle und imaginäre Komponente an Schleifdrähten mittels phasengesteuerter Nullmotoren abgeglichen wird. Jedoch ist bei diesen Einrichtungen eine Voreinstellung der Kapazitätswerte erforderlich, da sich an den Schleifdrähten automatisch nur ein begrenzter Bereich einstellt, während die Erfindung es ermöglicht, einen Kapazitätsbereich von vier Dekaden autongtisch abzugleichen. Bekannt ist weiter eine elsttatig abgleichende Einrichtung -zur Nessung der Kapazität und des Verlustfaktors eines Kondensators , bei der der Prüfling über einen in Serie geschalteten ohmschen Vorwiderstand zur Stromeinprägung an einer Prüfspannungsquelle liegt und die Spannungsabfälle an der Ersatzserienkapazität und am Ersatzserienwiderstand des Prüflings über phasengesteuerte Gleichrichter meßbar sind. Die Spannungsquelle wird so gesteuert, daß an der Kapazität stets eine konstante Spannung liegt. Diese Einrichtung ist daher nicht für die Messung von Kondensatoren mit Hochspannung geeignet. (Auslegeschrift 1 962 439).
• Eine weitere selbsttätig abgleichende Einrichtung arbeitet nach dem Stromkomparatorprinzip. Die Ströme durch den Prüfling und durch den Normalkondensator fließen durch äe eine Wicklung eines Komparators. Die Durchflutung dieser beiden Wicklungen wird grob von Hand auf annähernd gleiche Beträge gebracht und der Rest gleicht sich selbsttätig über Verstärker in der Weise ab, daß der Fluß im Kern des Komparators Null wird. (9. Petersons: A self-balancing high-voltage capacitance bridge, IEEE Trans.
• Instrum. and Measureinent IM 13 (1964) S. 216 - 224.) Die Fig. 1 und Fig. 2 dienen zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung.
• Fig. 1 zeigt einen vereinfachten Stromlaufplan der gesamten Anordnung.
• Fig. 2 zeigt die prüfspannungsabhängige Verstärkungsregelung.
• Die nicht gezeigte elektronische Kompensation der Stromwandler TN und Tx (Fig. 1) geschieht in der Weise, daß die benötigte Bürdenleistung (innere und äußere Bürde der Stromwandler) nicht vom Primärkreis aufgebracht wird, sondern der Betriebsgleichspannungsquelle der Meßanordnung entnommen wird e Eine Regelstrecke, bestehend aus einer zusätzlichen IndiZatorwicklung auf dem Meßkern und einem elektronischen Verstärker, gewährleistet nahezu unabhängig -Q-o. der'GLöte der übertr.3geEen Ströme und der angeschlossenen Bürden einen verschwindt-nd geringen magnetischen Fluß im Iießkern. Auf diese Weise werden trotzdem sehr kleiner Kernabmessungen auch die Stromfehler und die Fehlwinkel vernachlässigbar klein und praktisch unabhängig von den Betriebsbedingungen.
• Die mit "Automatischer Bereichswähler" und "Vergleichsstufe" (Fig. 1) bezeichneten Teile der erfindungsgemäßen Anordnung bewirken die selbsttätige Bereichswahl ohne Voraussetzung auch nur der ungefähren Kenntnis der Daten des Prüflings (Cx in Fig. 1). Dazu dienen Komparatoren in der Vergleichsstufe, die eine der Wechselspannung an dem unveränderlichen Teil der Bürde des Wandlers TN proportionale Gleichspannung vergleichen mit einer der Bürdenwethselspannung des Wandlers TX proportionalen Gleichspannung. Das Ziel des Vergleichs ist, die Differenz der an den Bürden von TN und Tx liegenden Wechselspannungen so einzustellen, daß die Differenzspannung dem Aussteuerbereich des Kompensators angepaßt ist. Dazu schalten die Dekadenrelais (Rs und R6/R7 in Fig. 1) einmal die Bürde des Stromwandlers TX im Verhältnis 1:10 um, so daß bei Erreichen der 10fachen Spannung wieder der Spannungswert 1 erhalten wird, und außerdem wird die Primärwicklung des Wandlers Tx im Verhältnis 1:100 umgeschaltet. Damit können in Abhängigkeit vom Kapazitätswert von Cx vier Dekaden überstrichen werden. Mit diesen Umschaltungen wird gleictlzeitig das Komma am Anzeigeinstrument so versetzt, daß der Kapazitätswert stellenrichtig unmittelbar abgelesen werden kann. Innerhalb jeder dieser Dekaden schalten die Komparatoren der Vergleichsstufe mit dem Relais R1 bis R4 die Bürde des Stromwandlers TN im Verhältnis 1:2:4:6:8 um, womit sich insgesamt 20 Meßbereiche ergeben. Gleichzeitig werden mit jeder Umschaltung in der Rechenstufe zu dem Ergebnis des komplexen Kompensators jeweils feste Werte ebenfalls im Verhältnis 1:2:4:6:8 addiert, die so bemessen sind, daß die Instrumente die Ergebnisse der Kapazitäts- und Verlustfaktormessung dem Betrage nach ohne Umrechnung richtig angeben.
• Die an sich bekannte Schaltung des komplexen Kompensators (siehe bezogene Druckschriften) wird in der erfindungsgemäßen Anordnung in abgeänderter Form verwendet. Um auch Kapazitäten mit sehr kleinen Verlustfaktoren (tan 6 10 4) messen zu können, wurde die im folgenden beschriebene Schaltungsanordnung hinzugefügt. Im komplexen Kompensator wird der dem Verlustfaktor des Prüflings (Cx entsprechende Anteil der zu kompensierenden Spannung am mit "a" in Fig. 1 gekennzeichneten Punkt der Schaltungsanordnung gemessen und mit drei Referenzspannungen verglichen, die den Verlustfaktorwerten von , 1/10 und entsprechen. Wenn die dem Verlustfaktor proportionale Spannung diese Schwellwerte unterschreitet wird am mit "b" bezeichneten Punkt in Fig.1, dem Ausgang des Multiplizierers im imaginären Zweig des Kompensators, die Spannungsverstärkung um die Faktoren 1ound herabgesetzt. Das hat zur Folge, daß die Spannung in der Rückführung des imaginären Kompensatorzweiges (Punkt ttcXt in Fig. 1) um die gleichen Faktoren vergrößert wird, wodurch infolge der höheren Aussteuerung des phasengesteuerten Gleichrichters, des Multiplizierers und des Dividierers in dem mit "Rechenstufe" bezeichneten Teil der erfindungsgemäßen Anordnung die mögliche Genauigkeit dieser Schaltungsstufen besser ausgenutzt wird. Am mit "d" bezeichneten Punkt in Fig. 1 wird mit gleichzeitig geschalteten Spannungsteilern die "tan b"-Anzeige korrigiert.
• Im komplexen Kompensator ist sowohl die zu kompensierende Spannung (Punkt "a" in Fig. 1) als auch die Kompensationsspannung (Punkt "e" in Fig. 1) proportional zur angelegten Prüfspannung U . Das Meßergebnis ist damit theoretisch, in der ursprünglichen Form des Kompensators praktisch in einem Prüfspannungsbereich von 20:1, unabhängig von der angelegten Prüfspannung. In der erfindungsgemäßen Anordnung wird der Kompensator in derart abgeänderter Form verwendet, daß bei Unterschreiten einer bestimmten Prüfspannung (z.B. 1o % der Nennprüfspannung) die Empfindlichkeit des Kompensators, am Punkt "a" und am Punkt "f" in Fig. 1, um einen geeigneten Faktor (z.B. 1o) erhöht wird.
• In der erfindungsgemäßen Anordnung wird auf diese Weise eine Spannungsunabhängigkeit der Meßwertanzeige in einem Prüfspannungsbereich von größer als loo:1 erreicht.
• Der mit "g" in Fig. 1 bezeichnete Verstärker ermittelt und verstärkt die noch bestehende Differenz von zu kompensierender Spannung und Kompensationsspannung. Je größer seine Verstärkung ist umso genauer werden die beiden Spannungen einander angenähert. Eine möglichst große Verstärkung ist daher anzustreben. Andererseits besteht bei großer Eingangsspannung und gleichzeitig großer Verstärkung die Gefahr der Instabilität des gesamten Regelkreises. In der erfindungsgemäßen Anordnung wird deshalb die Verstärkung des Verstärkers "g" in Abhängigkeit von seiner Eingangsspannung derart gesteuert, daß sich ohne die Gefahr der Schwingneigung eine möglichst hohe Verstärkung ergibt. Dazu dient die in Fig. 2 gezeigte Schaltungsanordnung. Die dem Strom durch den Normalkondensator 0N proportionale Spannung UN (Punkt "f" in Fig. 1), die proportional zur Prüfspannung ist, wird in eine ebenfalls der Prüfspannung proportionale Gleichspannung umgeformt, die von einer konstanten Bezugsgleichspannung von 11 V subtrahiert wird. Es ergibt sich damit eine der Prüf spannung umgekehrt proportionale Gleichspannung, die einem Eingang eines elektronischen Multiplizierers zugeführt wird.
• Am zweiten Eingang dieses Multiplizierers wird die Differenz aus zu kompensierender Spannung Ux und Kompensationsspannung UK (Punkte "a" und "e" in Fig. 1 (Verstärker "g") zugeführt. Da diese Differenzspannung (Ux-UK) ebenfalls proportional zur Prüfspannung ist, ergibt sich mit dieser Schaltungsanordnung die gewünschte spannungs abhängige Verstärkung, da bei größerer Differenzspannung infolge höherer Prüfspannung der Multiplikationsfaktor herabgesetzt wird.
• In dem mit "Rechenstufe" in Fig. 1 bezeichneten Teil der erfirwdungsgemäßen Anordnung werden die Ausgangssignale des komplexen Kompensators in der Weise verarbeitet und miteinander verknüpft, daß mit Hilfe von zwei Digitalvoltmetern der Kapazitätswert und der Verlustfaktor des Prüflings unmittelbar angezeigt werden. Die weiter oben beschriebenen Dekadenrelais steuern dabei die Dezimalpunkte der beiden Anzeigegeräte, so daß in jedem der selbsttätig eingestellten Meßbereiche eine direkte Ablesung ohne Umrechnung erfolgen kann.
• Zur Messung einseitig geerdeter Kapazitäten, wie z.B. im Erdreich verlegte Kabel, wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung die dem Strom durch den Prüfling proportionale Spannung nicht an der Bürde des Stromwandlers Tx abgegriffen, sondern am Ausgang einer opto-elektronischen Übertragungsstrecke (Fig. 1). Diese besteht aus einem auf Hochspannungspotential angeordneten kompensierten Stromwandler mit nachfolgender Umsetzung der analogen Strominformation in digitale Werte, einer optischen Übertragungsstrecke mit lichtemittierender Diode, Lichtleitfaserbündel und Fotodiode und der auf Erdpotential angeordneten Dekodierschaltung. Die in ihrer Funktion den Relais R 5 bis R 7 entsprechenden Relais R8 bis Rlo werden von durch eine zweite opto-elektronische Datenüberstragungsstrecke übermittelten Signalen angesteuert. Der in Fig. 1 gezeigte Schalter S gestattet die wahlweise Umschaltung zwischen den beiden möglichen Betriebsarten der erfindungsgemäßen Anordnung.
• Abschließend läßt sich feststellen, daß durch die Erfindung eine Anordnung geschaffen worden ist, durch die die Messung der Kapazitäts- und Verlustfaktorwerte nicht nur völlig selbsttätig, d.h. ohne Voreinstellung von Meßbereichen, sondern auch in sehr kurzer Zeit - etwa in 250 ms - erfolgen kann, und zwar bei Nieder- und Hochspannungskondensatoren bei voller Betriebsspannung und bei einseitig geerdeten und auch bei nicht geerdeten Prüflingen.

Claims (17)

Patentansprüche

1.) Anordnung zur Messung von Kapazitäten und dielektrischen Verlusten von Kondensatoren, Kabeln, Durchführungen usw.

mit selbsttätiger Ermittlung der Meßwerte, bei der der Strom durch den Prüfling (z.B. Cx in Fig. 1) nach Betrag und Phasenlage mit dem Strom durch ein Vergleichsnormal (z.B. CN in Fig. 1) in einem an sich bekannten komplexen Kompensator verglichen wird und aus der Differenz der Beträge und der Phasenlagen der Kapazitätswert und der Verlustfaktorwert (tan6) ermittelt und direkt angezeigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme durch den Prüfling und das Vergleichsnormal mittels Stromwandlern mit sekundärseitig angeschlossenen Bürden in proportionale Spannungen umgewandelt werden, wobei diese beiden Bürdenspannungen mit Hilfe von Komparatorschaltungen, die die Ubersetzungsverhältnisse Primärstrom zu Bürdenspannung steuern, selbsttätig ihrem Betrage nach in Stufen soweit einander angenähert werden, daß die restliche Differenz zwischen beiden nach Betrag und Phasenlage von einem selbsttätig abgleichenden komplexen Hompensator ermittelt werden kann, worauf die Ausgangswerte des Kompensators zusammen mit der Information der zur Annäherung der beiden Bürdenspannungen notwendigen Stellung der Komparatoren in einer anschließenden Rechenstufe in der Weise ausgewertet und miteinander verknüpft werden, daß der Kapazitätswert und der Verlustfaktorwert (tank) des Prüflings direkt angezeigt werden.

2.) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß zur Messung von Prüflingen, deren erdseitige Elektrode nicht zugänglich ist, wie beispielsweise bei im Erdreich verlegten Hochspannungskabeln, der den Strom durch den Prüfling in eine proportionale Bürdenspannung umsetzende Stromwandler an der hochspannungsseitigen Elektrode des Prüflings angeordnet ist, wobei dessen Bürdenspannung mittels Modulation, potentialfreier Übertragung und Demodulation (z.B.

wie in Fig. 1 dargestellt) dem übrigen Teil der Meßanordnung zugeführt wird.

3.)Anordnung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die die Ströme durch Prüfling und Vergleichsnormal in proportionale Spannungen umsetzenden Stromwandler (z.B. T x und TN in Fig. 1) elektronisch dahingehend kompensiert sind, daß ihre innere und äußere Bürdenleistung nicht dem primären Meßstromkreis entnommen wird, sondern der Betriebsgleichspannungsquelle der Meßanordnung.

4.)Anordnung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Stromänderungen im Prüfling in Abhängigkeit vom Kapazitätswert des Prüflings im Verhältnis von 1:10000 auf der Sekundärseite des diesen Strom übersetzenden Stromwandlers (z.B. Tx in Fig. 1) nur zu einer Bürdenspannungsänderung im Verhältnis 1:1kl führen, indem bei drei im Verhältnis 10:100:1000 gestaffelten Primärstromwerten die sekundärseitige Bürdenspannung um jeweils den Faktor 10 vergrößert bzw. verkleinert wird.

5.)Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die 10:1-Umschaltung des Übersetzungsverhältnisses Primärstrom zu Sekundärspannung beim Stromwandler der Prüflingsseite (z.B. Tx in Fig. 1) dadurch erfolgt, daß die angeschlossene Bürde im gleichen Verhältnis verändert wird (z.B. mit Hilfe des Relaiskontaktes r5 in Fig. 1).

6.)Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß eine 100:1-Umschaltung des Übersetzungsverhältnisses beim Stromwandler der Prüflingsseite (z.B. Tx in Fig. 1) dadurch erfolgt, daß die primäre Windungszahl im gleichen Verhältnis umgeschaltet wird (z.B. durch die Relaiskontakte r6/r7 in Fig. 1), 7.)Anordnung nach Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusammen mit der 100:1-Umschaltung nach Anspruch 6 immer gleichzeitig eine 1:10-Umschaltung nach Anspruch 5 erfolgt, wodurch die Änderung des Ubersetzungsverhältnisses Primärstrom zu Sekundärspannung des Stromwandlers der Prüflingsseite (z.B. Tx in Fig. 1) auch bei primärer Wicklungsumschaltung im Verhältnis 1:100 (bzw. 100:1) nur jeweils 1:10 (bzw.

10:1) beträgt.

.)Anordnung nach Ansprüchen 1 oder 2 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der sekundären Bürdenspannung des Stromwandlers der Prüflingsseite (z.B. Tx in Fig. 1) die Bürde des Stromwandlers der Vergleichsseite (z.B. TN in Fig.1) verändert wird (z.B. in fünf Stufen durch die Relaiskontakte r1 bis r4 in Fig. 1), nochmals die Differenz der beiden zu vergleichenden Bürdenspannungen selbsttätig so eingestellt wird, daß der Meßbereich des komplexen Kompensators nicht überschritten wird.

9.)Anordnung nach Anspruch 1, die die Verstärkung des im Differenzzweig des komplexen Kompensators angeordneten Verstärkers (z.B. Verstärker "g" in Fig. 1) mit zunehmender Prüfspannung verringert dadurch gekennzeichnet, daß entsprechend Fig. 2 die Differenzspannung aus zu kompensierender Spannung (Punkt "a" in Fig. 1 und Fig.2) und Kompensationsspannung (Punkt "e" in Fig. 1 und Fig. 2) einem Eingang eines elektronischen Multiplizierers zugeführt wird, während der andere Eingang des Multiplizierers eine Gleichspannung erhält, die, wie in Fig. 2 dargestellt, umgekehrt proportional zur Prüfspannung ist.

10.) Anordnung nach Anspruch 1, die im komplexen Kompensator die Schleifenverstärkung des Regelkreises zur Erzeugung der imaginären Komponente der Kompensationsspannung (z.B. in Punkt "e" in Fig. 1) in Abhängigkeit von der Größe der imaginären Komponente der zu kompensierenden Spannung (z.B.

Punkt "a" in Fig. 1) selbsttätig zu steuern gestattet, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichbleibender Gesamtschleifenverstärkung des geschlossenen Regelkreises für die imaginäre Komponente die Verstärkung an geeigneter Stelle (z.B. Punkt "b" in Fig. 1) bei kleiner werdendem Imaginäranteil der zu kompensierenden Spannung herabgesetzt wird und zum Ausgleich dafür die Verstärkung an einer anderen geeigneten Stelle (z.B. im Punkt "c" in Fig.1) in gleichem Maße erhöht wird, womit die Eingangsgleichspannung des Multiplizierers immer eine für die spezifizierte Genauigkeit des Multiplizierers erforderliche Größe aufweist.

11.) Anordnung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Verstärkung nicht kontinuierlich, sondern in mehreren Stufen erfolgt, und daß mit jeder Verstärkungsumschaltung im Regelkreis für die imaginäre Komponente ein an geeigneter Stelle (z.B. Punkt "d" in Fig. 1) angeordneter Spannungsteiler geschaltet wird, welcher die Verlustfaktoranzeige den sich bei der Umschaltung ändernden Regelverhältnissen anpaßt.

12.) Anordnung nach Ansprüchen 10 und 11, dadurch geknnzeichnet, daß die Umschaltungen bei Amplitudenwerten des Imaginärteils der zu kompensierenden Spannung erfolgen, die im Verhältnis zueinander stehen, und daß bei jeder zweiten Umschaltung der Dezimalpunkt der Verlustfaktoranzeige um eine Stelle verschoben wird.

13.) Anordnung nach Anspruch 2 zur Kompensation der Zeit, die für die potentialfreie Übertragung der Bürdenspannung des auf der Hochspannungsseite angeordneten Stromwandlers auf die Niederspannungsseite zur Verschlüsselung, Übertragung und Entschlüsselung benötigt wird, dadurch gekennzeichnet daß die Bürdenspannung vor der Verschlüsselung durch teilweise Differentation in ihrer Phasenlage derart beeinflußt wird, daß die einer Phasenverschiebung mit umgekehrtem Vorzeichen entsprechende Übertragungsverzögerung ausgeglichen wird.

14.) Anordnung nach Ansprüchen 1, 2, 4 bis 7, die auch bei oberspannungsseitig angeordnetem Stromwandler die Bürden-und Wicklungsumschaltung gestattet, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstellungen der Dekadenrelais auf der Unterspannungsseite (z.B. R5 und R6 in Fig. 1) abgefragt und mittels potentialfreier Meßwertübertragung auf die Oberspannungsseite übertragen werden, so daß die oberspannungsseitigen Dekadenrelais (z.B. R8 und R9/R10 in Fig. 1) die gleichen Schaltstellungen einnehmen.

15.) Anordnung nach Anspruch 2, die in an sich bekannter Weise zur Meßwertübertragung ein Pulsamplitudenmodulationsverfahren mit gleichzeitiger Digitalisierung der Amplitudenwerte (Analog-Digital-Umsetzung) verwendet, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Oberspannungsseite ermittelte digitale Amplitudeninformation unter Benutzung nur eines einzigen Übertragungskanals seriell zur Niederspannungsseite übertragen wird und die dort benötige Takt- und Synchronis ations information verschlüsselt in der Meßwertinformation enthalten sind.

16.) Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung der Schaltstellungsinformation der Dekadenrelais zum oberspannungsseitig angeordneten Stromwandler nur ein einziger potentialfreier Meßwertübertragungskanal mit serieller digitaler Impulsübertragung verwendet wird.

17.) Anordnung nach Ansprüchen 2, 4 und 14, dadurch gekennzeichnet daß wegen der maximalen Änderung der Bürdenspannungsamplitude des oberspannungsseitig angeordneten Stromwandlers im Verhältnis von nur 10:1 der nachfolgende Analog-Digital-Umsetzer immer mit hinreichend großen Spannungsamplituden angesteuert wird, um seinen Quantelungsfehler genügend klein zu halten.

Leerseite