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Hochspannungsprüfgenerator für Prüfblitz- und Prüfschalt-
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spannungen Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrstufigen Hochspannungsgenerator
zur Erzeugung von Prüfblitz- und Prüfschaltspannungen.
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Zur Erzeugung sehr hoher Prüfimpulsspannungen (Prüfblitz-und Prüfschaltspannungen)
im 1W-Bereich werden in bekannter Weise mehrstufige Prüfgeneratoren in Marxscher
Vervielfachungsschaltung verwendet, die nach oben durch eine auch als Kopfelektrode
bezeichnete Abschirmelektrode abgeschlossen sind (Schrader, W. "Eine neue Baureihe
von Blitz- und Schaltspannungs-Prüfgeneratoren" Elektrie 30 (1976) H. 8, S. 446-447).
Auf Grund des Durchschlagverhaltens von positiven Prüfschaltungsspannungen bestimmen
diese die Dimensionierung der Kopfelektrode des Prüfgenerators bzw. die erreichbare
Nennschaltspannung ist von der Ausführung der Kopfelektrode abhängig (Feser, E.
"Probleme bei der Erzeugung hoher SchaltstoBspannungen im Prüffeld" Bull. ASl/UCS
65 (1974) 7 S. 496-508). Infolgedessen und auf Grund entsprechender Prüfvorschriften
wird die Anzahl der Stufen und damit die Größe des Hochspannungsprufgenerators im
allgemeinen nach der geforderten Nennblitzspannung ausgelegt und im Schaltspannungsbetrieb
eine Ladespannung verwendet, die unterhalb der zulässigen Stufenladespannung liegt.
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Die Auslegung der Kopfelektrode erfolgt in bekannter Weise se nach
einem zulässigen Höchstwert für die Oberflächenfeldstärke,
wobei
als Elektrodenformen hauptsächlich Toroide oder, insbesondere bei Spannungsteilern,
Doppeltoroide Anwendung finden (Feser, K. bemessung von Elektroden im UHV-Bereich,
gezeigt am Beispiel von Toroidelektroden für Spannungsteiler" ETZ-A Bd. 96 (1975)
H. 4, S. 206-210). Diie Kopfelektroden sind dabei möglichst störstellenfrei als
glatte Volleletroden oder mit strukturierter Oberflache als Polyconelektroden ausgeführt
(Feser, K; Sutter, H.
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"Konstruktion und Übertragungseigenschaften ausgeführter Spannungsteiler
für mehrere MV" Bull. ASE/UCS 66 (1975) 12, s. 632-640).
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Es wurde auch bereits vorgeschlagen, Kopfelektroden nach der sogenannten
"kritischen Streamerlänge" d.h. nach dem Potential abbau vor der Elektrode zu dimensionieren,
so daß zu Durchschlägen führende Leaderentladungen vermieden werden (Mosch, W. u.a.
XZur Dimensionierung von Abschirmelektroden von Prüfanlagen sehr hoher Spannungen"
Wiss. Berichte, Symposium Hochspannungstechnik an der ETH Zürich 1975, 8.560-564).
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Mit zunehmender Größe bereitet die Herstellung dieser grossen Kopfelektroden
jedoch in wachsendem Maße technologische Schwierigkeiten, hinzu kommen bei Feiluftanlagen
erhebliche Windkräfte und nicht zuletzt wachsen die Kosten für diese Abschirmelektroden
mit steigender Nennspannung erheblich, Wie auch an ausgeführten Prüfanlagen sichtbar,
sind Nennschaltspannungen >3 MV nur noch schwer zu beherrschen Bishop, M.J.;
Simon, M.F. "The Impulse Generators At Les Renardieres" Transaction Paper IEEE-Meeting
Neir York 1972).
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Schließlich ist auch bekannt, bei großen Blitz- bzw. Schaltspannungsgeneratoren
neben der Kopfelektrode weitere, jedooh wesentlich kleinere Zwischenelektroden an
den Stufen zur Vermeidung von Vor entladungen anzuordnen, die von Metallarmaturen
in den Generatorstufen ausgehen können.
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Diese Zwischenelektroden haben jedoch kleinen nennenswerten Einfluß
auf die Feldverhältnisse im Bereich der Kopfelektrode, Außerdem ist es zur Erzeugung
von gegenüber der Nennspannung
wesentlich kleineren Prüfimpulsspannungen
üblich Prüfgeneratoren im Teilbetrieb zu betreiben.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, einen mehrstufigen Hochspannungsprüfgenerator
zur Erzeugung von Prüfimpulsspannungen so zu verändern, daß das Verhältnis von erreichbarer
Prüfschaltspannung zum Aufwand für die Gestaltung der Kopfelektrode und damit die
Ausnutzung des Generators im Schaltspannungsbetrieb verbessert wird.
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Erfindungsgemäß ist dies dadurch erreichbar, daß die Erzeugung der
Prüfschaltspannung in den erdnächsten Stufen des Hochspannungsprüfgenerators erfolgt,
während die nicht zur Schaltspannungs er zeugung herangezogenen Stufen im Schaltspannungsbetrieb
kurzgeschlossen oder mit entgegengesetzten Potential beau£-schlagt bzw. teilweise
kurzgeschlossen und teilweise auf entgegengesetztes Potential aufgeladen sind und
wenigstens im Bereich des Überganges von den zur Schaltspannungserzeugung genutzten
Stufen zu den übrigen Stufen zumindest eine weitere mit einem benachbarten Stufenpotential
verbundene großflächige Abschirmelektrode vorgesehen ist. Dadurch kann in vorteilhafter
Weise bei Nennschaltspannungserzeugung die zulässige Stufenladespannung verwendet
werden.
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Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung wird erreicht, indem die
nicht zur Schaltspannungserzeugung herangezogenen Stufen Schaltmittel zum Kurzschließen
dieser Stufen bzw. Mittel zur Umkehr der Ladespannungspolarität aufweisen.
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Eine Durchmesservergrößerung der Kopfelektrode läßt sich vermeiden,
wenn mit der erdfernsten, zur Schaltspannungserzeugung verwendeten Stufe, in der
also z.B. die Nennschaltung auftritt, oder mit einer benaohbarten Stufe eine Abschirmelektrode
verbunden ist, deren Größe etwa derjenigen der Kopf elektrode entspricht. Es kann
außerdem günstig sein, unterhalb dieser Abschirmelektrode ein oder mehrere weitere
Abschirmelektroden vorzusehen,
Durch die Erfindung ist es möglich,
eine höhere Nennschaltspannung zu realisieren, ohne daß die Fertigung der Eopfelektrode
und des Prüfgenerators komplizierter werden. Durch Anbringen mindestens einer weiteren
hbschirmelektrode und dem Kurzschließen bzw Aufladen der oberen,zur Schaltspannungs
erzeugung nicht benötigten Stufen mit einer Spannung von entgegengesetzter Polarität,
wird beim Durchzünden des Prüfgenerators eine elektrische Entlastung der Kopfelektrode
erreicht. Dies erfolgt derart, daß die Kopfelektrode zusammen mit der einen Abschirmelektrode
in der Art eines großen Doppeltoroides als "Kopfelektrode" wirksam ist oder die
Kopfelektrode bereits wieder eine niedrigere Spannung aufweist und gleichzeitig
die auf Nennschaltspannungspotential liegende Abschirmelektrode feldmäßig entlastet.
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Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung im folgenden näher erläutert.
Darin zeigen die Fig. 1 - 3 Hochspannungsprüfgeneratoren in zum Teil modifizierten
M4rxschen Vervielfachungsschaltungen für Schaltspannungsbetrieb mit verschiedenen,
durch unterbrochene Linien angedeuteten Abschirmelektrodenanordungen.
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In Fig. 1 ist ein mehrstufiger Hochspannungsprüfgenerator (nachfolgend
Prüfgenerator genannt) in Marxscher Vervielfachungsschaltung dargestellt, der grundsätzlich
sowohl zur Erzeugung von Prüfblitzspannungen als auch durch einfache Uknrüstung
für aperiodische Prüfschaltspannungen geeignet, hier in besonderer Weise für die
Erzeugung sehr hoher positiver Prüfschaltspannungen von aperiodischen Spannungsverlauf
ausgelegt ist. Die einzelnen Stufen des Prüfgenerators enthalten in üblicher Weise
Ladewiderstände 1, Zündfunkestrecken 2, Impulskondensatoren 3 sowie Dämpfungs-und
Entladewiderstände 4 bwz. 5. Die Belastungskondensatoren sind mit 6 bezeichnet.
Nach einer durch die Höhe der Nennschaltspannung bedingten Zahl von Stufen sind
die in den weiteren Stufen bis zum Kopf des Prüfgenerators angeordneten
Impulskondensatoren
3 durch Schaltmittel 7 kurzgeschlossen, so daß eine Spannungsvervielfachung nur
bis zur Stufe A1 erfolgt und sämtliche folgende Stufen bis zur letzten Stufe A2
das Potential der Stufe A1 aufweisen. An dieses Potential ist eine großfläcige Abschirmelektrode
8 gelegt, deren Maße in der gleichen Größenordnung wie diejenigen der den Prüfgenerator
nach oben abschirmenden toroidförmigen Kopfelektrode 9 liegen und die in unmittelbarer
Nähe dieses Potentials, also im Bereich des Überganges der zur Spannungsvervielfachung
im Schaltspannungsbetrieb wirksamen Stufen zu den weiteren, kurzgeschlossenen Stufen
angeordnet ist. In Fig. 1 ist die Abschirmelektrode 8 aus technologischen Gründen
etwas unterhalb der Stufe A1 mit der sie jedoch elektrisch verbunden ist, angebracht.
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Diese Ausführung des Prüfgenerators- zur Erzeugung von Prüfschaltspannungen
geht zum einen von der prüftechnologisch bedingten Differenz zwischen Nennblitzspannung
und Nennschaltspannung sowie von dem unterschiedlichen Durchschlagsverhalten beider
Prüfspannungsformen aus. Aus diesen Gründen ist es möglich, die geforderte Nennschaltspannung
zu erzeugen, ohne daß sämtliche Stufen des nach der Nennblitzspannung dimensionierten
Prüfgenerabrs verwendet werden müssen. Dies geschieht vorteilhafter Weise unter
Ausnutzung der zulässigen Stufenladespannung. In dem Prügenerator nach Fig. 1 werden
zur Schaltspannungserzeugung nur die Stufen zwischen Erdpotential und einschließlich
der Stufe A1 genutzt. In dieser Stufe wird also die gewünschte Nennschaltspannung
erreicht und abgenommen. Die auf diesem Potential liegende und in der Nähe dieser
Stufe angebrachte groBflächige Abschirmelektrode 8 ermöglicht eine Entlastung der
Kopfelektrode 9 bezüglich der elektrischen Feldstärke, so daß die Kopfelektrode
9 entweder kleiner als bisher erforderlich ausgeführt werden kann oder höhere Schalt
spannungen mit einer konstanten Größe der Kopfelektrode 9 bei gleichzeitiger Anordnung
der etwa ebenso großen Abschirmelektrode 8 beherrscht werden können.
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Im Blitzspannungsbetrieb werden neben der Änderung der Dämpfungs-
und Entladewiederstände 4 bzw. 5 die Schaltmittel 7 zur Überbruckung der Impulskondensatoren
3 in den oberen Stufen entfernt, so daß sämtliche Generatorstufen zur Spannungsvervielfachung
beitragen und die gewünschte Nennblitzspannung am Generatorausgang erhalten wird.
In diesem Fall liegt die zusätzliche Abschirmelektrode 8 auf Zwischenpo tential
und hat keine Bedeutung.
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In Fig. 2 ist ein Prüfgenerator in modifizierter Marxscher Vervielfachungsschaltung
für den Schaltspannungsbetrieb ge zeigt, dessen schaltungstechnische Besonderheit
darin liegt, daß die beiden Impulskondensatoren 3 einer Stufe jeweils mit der halben
ladespannung verschiedener Polarität aufgeladen werden. Wie auch in Fig. 1 findet
beim Zünden des Prüfgenerators die Spannungsvervielfachung bis einschließlich zur
Stufe A1 statt die sodann auf Mennschaltspannungspotential liegt. Da die Impulskondensatoren
3 in den folgenden, nur im Blitzspannungsbetrieb genutzten Stufen bis zur letzten
Stufe A2 jeweils durch Schaltmittel 7 kurzgeschlossen sind, weisen auch diese das
gleiche Potential auf. In diesem Fall ist neben der als Rotationsellipsoid ausgebildeten
Kopfelektrode 9 an der ersten, auf die Stufe A1olgenden kurzgeschlossenen Stufe
ein Doppeltoroid als großflächige Abschirmelektrode 8 angebracht. Außerdem ist zur
weiteren feldaäßigen Entlastung der Abschirm elektrode 8 eine weitere, unterhalb
der Stufe angeordnete und als Toroid ausgebildet. großflächige Abschirmelektrode
10 vorgesehen, die demzufolge auf niedriger ei Potential liegt.
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Eine weitere Ausführungsform stellt Fig. 3 dar. Der Aufbau der Stufen
des Prüfgenerators ist der gleiche wie in Fig. 2.
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Diese Äiisfiihrungsvariante ist besonders für Prüfgeneratoren mit
einer relativen großen Differenz zwischen Mennblitz- und Nennschaltspannung geeignet.
Die Nennschaltspannung wird wiederum in der Stufe A1 erhalten, die von der Abschirmelektrode
8 umgeben ist. Die Abschirmelektrode 8 kann Jedoch bis
zu 30 -
50 * kleiner sein als die Kopfelektrode 9 und als eine weitere, auf einem niedrigeren
Potential angeordnete Abschirmelektrode 10, deren Anbringung vorteilhaft ist.
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Dieser Effekt wird dadurch erreicht, daß durch einaalige "Kreuzung"
der Ladespannungszuführung (Ladewiderstände 1) oberhalb der Stufe al die Impulskondensatoren
3 der folgenden Stufen mit einer Ladespannung von entgegengesetzter Polarität aufgeladen
werden. Beim Zünden des Prüfgenerators tritt wiederum in der Stufe A1 die Nennschaltspannung
auf.
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Diese wird jedoch durch den Spannungsabfall in den oberen Stufen entsprechend
der Stufenzahl zwischen den Stufen A1 und A2 wieder reduziert, so daß sich die Kopfelektrode
9 auf niedrigerem Potential als die mit der Stufe A1 elektrisch verbundene Abschirmelektrode
8 befindet. Die unterhalb der Stufe A1 angebrachte, größenordnungsmäßig etwa der
Kopfelektrode9entsprechende Abschirmelektrode 10 weist ein der Kopfelektrode 9 ähnliches
Potential auf. Auf diese Weise wird die auf Nennschaltspannungspotential liegende
Abschirelektrode 8 von den auf niedrigerem Potential befindlichen Elektroden, der
Kopfelektrode 9 und der Abschirmelektrode 10 eingeschirmt, so daß trotz.verkleinerter
Abschirmelektrode 8 die Nennschaltspannung beherrscht werden kann. Eine derartige
Lösung ist wirtschaftlich jedoch nur dann sinnvoll, wenn wie in Fig. 3, ohnehin
in jeder Stufe des Prüfgenerators die Ladespannung in beiden Polaritäten vorhanden
ist.
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Gegebenenfalls ist es zur Verbesserung des DurchzUndverhaltens des
Prüfgenerators, insbesondere in den oberen, entgegengesetzt gepolten Stufen notwendig,
Jede Stufe getriggert auszulösen.
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Eine vorteilhafte Realisierung der Erfindung ist insbesondere auch
dadurch erreichbar daß in Schaltungstechnischer Hinsicht eine Kombination der Prüfgeneratoren
gemäß Fig. 2 und Fig. 3 bei gegebenenfalls modifizierter Elektrodenanordnung erfolgt
derart, daß zur Verringerung der Gleichspannungsbeanspruchung der Isolierstrecke
zwischen der Stufe A1
und der folgenden Stufe im Ladezustand, diese
Stufe kurzgeschlossen und über die Reihenschaltung der Dämpfungs- und Entladewiderstände
4 bzw. 5 annähernd auf Erdpotential gelegt wird. Erst die auf diese kurzgeschlossene
Stufe nach oben folgenden Stufen werden mit der Ladespannung von entgegengesetzter
Polarität aufgeladen.
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Neben den Fig. 1 - 3 gezeigten Anordnungen der Kopf- bzw.
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Abschirmelektroden sind selbstverständlich auch andere Konfigurationen
möglich.
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Es wäre auch denkbar, erfindungsgemäß gestaltete Prüfgeneratoren neben
dem Blitzspannungsbetrieb auch zür Erzeugung schwingender Schalt spannungen zu verwenden.
In diesem falle wären die zur Erzeugung der Prüfschaltspannung benötigten Bauelemente,
insbesondere die Drosselspulen, vorzugsweise in den erdnächsten Stufen bis zur Stufe
A1 vorgesehen.
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Die Erfindung ermöglicht in vorteilhafter Weise die Erzeugung sehr
hoher, insbesondere aperiodischer Prüfschaltspannungen mit kombinierten Prüfgeneratren
für Prüfblitz-und Prüfschaltspannungen, ohne daß ein vergrößerter Aufwand für die
Herstellung der erforderlichen Abschirmelektroden nötig ist.