DE2801561C2

DE2801561C2 - Mehrstufiger Hochspannungsprüfgenerator für Prüfblitz- und Prüfschaltspannungen

Info

Publication number: DE2801561C2
Application number: DE19782801561
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Ing. DDR 8027 Dresden Dietrich
Original assignee: Transformatoren und Roentgenwerk GmbH
Current assignee: Transformatoren und Roentgenwerk GmbH
Priority date: 1977-04-07
Filing date: 1978-01-14
Publication date: 1985-09-05
Also published as: DD130826A1; CH627592A5; DE2801561A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrstufigen Hochspannungsgenerator zur Erzeugung von Prüfblitz- und Prüfschaltspannungen mit einer Kopfelektrode und längs des Hochspannungsprüfgenerators angeordneten Zwischenelektroden, dessen in Parallelschaltung aufgeladene Stufen zur Entladung durch Zündfunkenstrecken in Reihe geschaltet werden.

Zur Erzeugung sehr hoher Prüfimpulsspannungen (Prüfblitz- und Prüfschaltspannungen) im MV-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 Prüfschaltspannungen bestimmen diese die Dimensionierung der Kopfelektrode des Prüfgenerators bzw. die erreichbare Nennschaltspannung ist von der Ausführung der Kopfelektrode abhängig (Feser, K. »Probleme bei der Erzeugung hoher Schaltstoßspannungen im Prüffeld« Bull. ASE/UCS 65 (1974) 7, S. 496—508). Infolgedessen und auf Grund entsprechender Prüfvorschriften wird die Anzahl der Stufen und damit die Größe des Hochspannungsprüfgenerators im allgemeinen nach der geforderten Nennblitzspannung ausgelegt und im Schaltspannungsbetrieb eine Ladespannung verwendet, die unterhalb der zulässigen Stufenladespannung liegt

Die Auslegung der Kopfelektrode erfolgt in bekannter Weise 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« LTZ-A Bd 96 (1975, H. 4, S. 206-210). Die Kopfelektroden sind dabei möglichst störstellenfrei als glatte Vollelektroden oder mit strukturierter Oberfläche als Polygonelektroden ausgeführt (Feser, K; Sutter, H. »Konstruktion und Übertragungseigenschaften ausgeführter Spannungsteiler für mehrere MV« BuIL ASE/ UCS 56 (1975) 12, S. 632-640).

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, Kopfelektroden nach der sogenannten »kritischen Streamerlänge«, & h. nach dem Potentialabbau vor der Elektrode zu dimensionieren, so daß zu Durchschlägen führende Leaderentladungen vermieden werden (Mosch, W. u. a. »Zur Dimensionierufig von Abschirmelektroden von Prüfanlagen sehr hoher Spannungen« Wiss. Berichte, Symposium Hochspannungstechnik an der ETH Zürich 1975, S. 560-564).

Mit zunehmender Größe bereitet die Herstellung dieser großen Kopfelektroden jedoch in wachsendem Maße technologische Schwierigkeiten, hinzu kommen bei Freiluftanlagen 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 Impi>:*>i Generators At Les Renardieres« Transaction Paper IEEE-Meeting New York 1972). Schließlich ist auch bekannt, bei großen Blitz- bzw. Schaltspannungsgeneratoren neben der Kopfelektrode weitere, jedoch wesentlich kleinere Zwischenelektroden an den Stufen zur Vermeidung von Vorentladungen anzuordnen, die von Metallarmaturen in den Generatorstufen ausgehen können. Diese Zwischenelektroden haben jedoch keinen 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 (DE-AS 11 91 478).

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.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Anwendung der im Anspruch 1 definierten Merkmale erreicht.

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.

Eine Durchmesservergrößerung der Kopfelektrode läßt sich vermeiden, wenn mit der erdfernsten, zur Schalt-

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spannungserzeugung verwendeten Stufe, in der also z. B. die Nennschaltspannung auftritt, oder mit einer benachbarten Stufe eine Abschirmelektrode verbunden ist, deren Größe etwa derjenigen der Kopfelektrode entspricht Es kann außerdem günstig sein, unterhalb dieser Abschirmelektrode ein oder mehrere weitere Abschirmelektroden vorzusehen.

Durch die Erfindung ist es möglich, eine höhere Nennschaltspa"jiung zu realisieren, ohne daß die Fertigung der Kopfelektrode und des Prüfgenerators komplizierter werden. Durch Anbringen mindestens einer weitern Abschirmelektrode und dem Kurzschließen bzw. Aufladen der oberen, zur Schaltspannungserzeugung 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 Kopf elektrode bereits wieder eine niedrigere Spannung aufweist und gleichzeitig die auf Nennschaltspannungspc'^ntial liegende Abschirmelektrode feldmäßig entlastet

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung im folgenden näher erläutert Darin zeigen die

Fig. 1—3 Hochspannungsprüfgeneratoren in zum Teil modifizierten Marxschen Vervielfachungsschaltungen für Schaltspannungsbetrieb mit verschiedenen, durch unterbrochene Linien angedeuteten Abschirmelektrodenanordnung.

In F i g. 1 ist ein mehrstufiger Hochspannungsprüfgenerator (nachfolgend Prüfgenerator genannt) in Marxscher Vervieifachungsschaltung dargestellt, der grundsätzlich sowohl zur Erzeugung von Prüfblitzspannungen als auch durch einfache Umrüstung für aperiodische Prüfschaltspannungen geeignet, hier in besonderer Weise für die Erzeugung sehr hoher positiver Prüfschaltspannungen von aperiodischem Spannungsverlauf ausgelegt ist. Die einzelnen Stufen des Prüfgenerators enthalten in üblicher Weise Ladewiderstände 1, Zündfunkenstrecken 2, Impulskondensatoren 3 sowie Dämpfungs·· und Entladewiderstände 4 bzw. 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 Früfgenerators angeordneten Impulskondensatoren 3 durch Schaltmittel 7 kurzgeschlossen, so daß eine Spannungsvervielfachung nur bis zur Stufe A\ erfolgt und sämtliche folgende Stufen bis zur letzten Stufe A₂ das Potential der Stufe A\ aufweisen. An dieses Potential ist eine großflächige Abschirmelektrode 8 gelegt, deren MaG2 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 F i g. 1 ist die Abschirmelektrode 8 aus technologischen Gründen etwas unterhalb der Stufe A\ mit der sie jedoch elektrisch verbunden ist, angebracht.

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. /.ns diesen Gründen ist es möglich, die geforderte Nennschaltspannung zu erzeugen, ohne daß sämtliche Stufen des nach der Nennblitzspannung dimensionierten Prüfgenerators verwendet werden müssen. Dies geschieht vorteilhafter Weise unter Ausnutzung der zulässigen Stufenladespannung. In dem Prüfgenerator nach F i g. 1 werden zur Schaltspannungserzeugung nur die Stufen zwischen Erdpotential und einschließlich der Stufe A\ genutzt In dieser Stufe wird also die gewünschte Nennschaltspannung erreicht und abgenommen. Die auf diesem Potential liegende

ίο und in der Nähe dieser Stufe angebrachte großflächige 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 Schaltspannungen mit einer konstanten Größe der Kopfelektrode 9 bei gleichzeitiger Anordnung der etwa ebenso großen Abschirmelektrode 8 beherrscht werden können.

Im Blitzspannungsbetrieb werden neben der Änderung der Dämpfungs- und Entladew^;H.<;rstände 4 bzw. 5 die Schaltmittel 7 zur Überbrückung oer Impulskondensatoren 3 in den oberen Stufen entfernt, so daß sämtliche Generatorstufen zur Spannungsvervielfachung beitragen und die gewünschte Nennblitzspannung af.i Generatorausgang erhalten wird. In diesem Fall liegt die zusätzliche Abschirmelektrode 8 auf Zwischenpotential und hat keine Bedeutung.

In Fig.2 ist ein Prüfgenerator in modifizierter Marxscher Vervielfachungsschaltung für den Schalt-Spannungsbetrieb gezeigt, dessen schaltungstechnische Besonderheit darin liegt, daß die beiden Impulskondensatoren 3 einer Stufe jeweils mit der halben Ladespannung verschiedener Polarität aufgeladen werden. Wie auch in F i g. 1 findet beim Zünden des Prüfgenerators die Spannungsvervielfachung bis einschließlich zur Stufe A\ statt, die sodann auf Nennschaltspannungspotential 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 A\ folgenden kurzgeschlossenen Stufe ein Doppeltoroid als großflächige Abschirmelektroüe 8 angebracht Außerdem ist zur weiteren feldinäßigen Entlastung der Abschirmelektrode 8 eine weitere, unterhalb der Stufe A\ angeordnete und als Toroid ausgebildete großflächige Abschirmelektrode 10 vorgesehen, die demzufolge auf niedrigerem Potential liegt.

Eine weitere Ausführungsform stellt F i g. 3 dar. Der Aufbau der Stufen des Prüfgenerators ist der gleiche wie in Fig. 2. Diese Ausführungsvariante ist besonders für Prüfgeneratoren mit einer relativen großen Differenz zwischen Nennblitz- und Nennschaltspannung geeignet. Die Nennschaltspannung wird wiederum in der Stufe A\ erhalten, die von der Abschirmelektiode 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 Abringung vorteilhaft ist. Dieser Effekt wird dadurch erreicht, daß durch einmalige »Kreuzung« der Ladespannungszuführung (Ladewiderstände 1) oberhalb der Stufe A\ die Impulskondensatoren 3 der folgenden Stufen mit einer Ladespannung von entgegengesetzter Polarität aufgeladen werden. Beim Zünden des Prüfgenerators tritt wiederum in der Stufe A\ die Nennschaltspannung auf. Diese wird jedoch durch den Spannungsabfall in den oberen

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Stufen entsprechend der Stufenzahl zwischen den Stufen Aι und /4₂ wieder reduziert, so daß sich die Kopfelektrode 9 auf niedrigerem Potential als die mit der Stufe /ti elektrisch verbundene Abschirmelektrode 8 befindet. Die unterhalb der Stufe A\ angebrachte, größenordnungsmäßig etwa der Kopfelektrode 9 entsprechende Abschirmelektrode 10 weist ein der Kopfelektrode 9 ähnliches Potential auf. Auf diese Weise wird die auf Nennschaltspannungspotential liegende Abschirmelektrode 8 von den auf niedrigerem Potential befindlichen Elektroden, der Kopfelektrode 9 und der Abschirmelektrode JO eingeschirmt, so daß trotz verkleinerter Abschirmelektrode 8 die Nennschaltspannung beherrscht werden kann. Eine derartige Lösung ist wirtschaftlich jedoch nur dann sinnvoll, wenn wie in F i g. 3, ohnehin in jeder Stufe des Prüfgenerators die Ladespannung in beiden Polaritäten vorhanden ist. Gegebenenfalls ist es zur Verbesserung des Durchzündverhal- >cn? des Prüfgenerators, insbesondere in den oberen, entgegengesetzt gepolten Stufen notwendig, jede Stufe getriggert auszulösen.

Eine vorteilhafte Realisierung der Erfindung ist insbesondere auch dadurch erreichbar, daß in schaltungstechnischer Hinsicht eine Kombination der Prüfgeneratoren gemäß F i g. 2 und F i g. 3 bei gegebenenfalls modifizierter Elektrodenanordnung erfolgt derart, daß zur Verringerung der Gleichspannungsbeanspruchung der Isclierstrecke zwischen der Stufe A] 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.

Neben den in den Fig. 1—3 gezeigten Anordnungen der Kopf- bzw. Abschirmelektroden sind selbstverständlich auch andere Konfigurationen möglich.

Es wäre auch denkbar, erfindungsgemäß gestaltete Prüfgeneratoren neben dem Blitzspannungsbetrieb auch zur Erzeugung schwingender Schaltspannungen zu verwenden. In diesem Falle wären die zur Erzeugung der Prüfschaltspannung benötigten Bauelemente, insbesondere die Drosselspulen, vorzugsweise in den erdnächsten Stufen bis zur Stufe A _t vorgesehen.

Die Erfindung ermöglicht in vorteilhafter Weise die Erzeugung sehr hoher, insbesondere aperiodischer Prüfschaltspannungen mit kombinierten Prüfgeneratoren für Prüfblitz- und Prüfschaltspannungen, ohne daß ein vergrößerter Aufwand für die Herstellung der erforderlichen Abschirmelektroden nötig ist

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

28 Ol Patentansprüche:

1. Mehrstufiger Hochspannungsprüfgenerator für Prüfblitz- und Prüfschaltspannungen mit einer Kopfelektrode und längs des Hochspannungsprüfgenerators angeordneten Zwischenelektroden, dessen in Parallelschaltung aufgeladene Stufen zur Entladung durch Zündfunkenstrecken in Reihe geschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfschaltspannung nur in den erdnächsten Stufen erzeugbar ist, während die nicht zur Prüfschaltspannungserzeugung herangezogenen Stufen im Schaltspannungsbetrieb kurzschließbar oder auf entgegengesetztes Potential aufladbar bzw. teilweise kurzschließbar und teilweise mit entgegengesetztem Potential beaufschlagbar sind und wenigstens im Bereich des Übergangs von den zur Prüfschaltspannungserzeugung genutzten Stufen zu den übrigen Stufen zumindest eine weitere, mit einem benachbarten Stufenpotenuai verbundene, großflächige Abschirmelektrode (8) vorgesehen ist

2. Hochspannungsprüfgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen zur Erzeugung der Nenn-Prüfschaltspannung mit der zulässigen Ladespannung der Stufen aufladbar sind.

3. Hochspannungsprüf generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den nicht zur Prüfschaltspannungserzeugung herangezogenen Stufen Schaltmittel (7) zum Kurzschließen dieser Stufen oder Mittel 2·. r Umkehr der Ladespannungspolarität dieser Stufen vorgesehen si"<i

4. Hochspannungsprüfgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß di^ Abschirmelektrode (8) mit der erdfernsten, im Prüfschaltspannungsbetrieb genutzten Stufe (A-,) elektrisch verbunden ist und ihre Größe etwa derjenigen der Kopfelektrode (9) entspricht.

5. Hochspannungsprüfgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Abschirmelektrode (8) wenigstens eine weitere Abschirmelektrode (10) vorgesehen ist.