DE2846285C2

DE2846285C2 - Kapazitiver Wechselspannungsteiler

Info

Publication number: DE2846285C2
Application number: DE2846285A
Authority: DE
Inventors: Maarten Enter Groenenboom
Original assignee: Hazemeijer BV
Current assignee: Hazemeijer BV
Priority date: 1977-10-24
Filing date: 1978-10-24
Publication date: 1986-11-27
Also published as: GB2007048B; NL179684B; FR2406828B1; FR2406828A1; NL179684C; NL7802969A; IT1108256B; CH645191A5; DE2846285A1; IT7869437A0; GB2007048A

Description

Die Erfindung betrifft kapazitive Wechselspannungsteiler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3. Solche kapazitiven Wechselspannungsteiler sind aus der DE-OS 34 595 bekannt.

so Kapazitive Wechselspannungsteiler für mittlere und hohe Spannungen enthalten zwischen einer Primärspannung und einer Bezugsspannung eine Reihenschaltung aus mindestens zwei Kondensatoren, von denen einer als Meßkondensator dient und eine als Meßsignal verwendbare Sekundärspannung liefert. Bei einem aus der Veröffentlichung »Bulletin Scientifique A.I.M.« Juni 1973, Seiten 154—155 bekannten Spannungsteiler dieser Art ist dem Meßkondensator ein Entladewiderstand parallelgeschaltet, um Gleichspannungen zu entladen, welche bei bestimmten Verhältnissen am Meßkondensator auftreten können. Wenn das Meßsignal zur Überwachung der mit dem Spannungsteiler verbundenen Primärspannung dient, kann die Überwachung durch eine solche Gleichspannung am Meßkondensator schwierig oder sogar unmöglich werden, da Distanzrelais gegebenenfalls falsch ansprechen können. Ferner wird die Lokalisierung eines Erd- oder Phasenschlusses erschwert. Am Meßkondensator kann eine Gleichspan-

η u ng ζ. B. dann auftreten, wenn eine primärseitige Wechselspannungsleitung in einem Zeitpunkt abgeschaltet wird, in dem die Wechselspannung nicht durch Null geht Wenn dann am Kondensator die Primärspannung nach wenigen Perioden wiederkehrt und ein Kurzschluß unmittelbar danach auftritt, während die Gleichspannung noch nicht genügend abgeleitet ist, tritt ein Nulldurchgang, auf den ein Distanzrelais anspricht, erst nach einigen Perioden auf. Dies bedeutet aber, daß das Relais zu spät schaltet Restladungen und Gleichspannungen am .Meßkondensator können auch durch Überspannungen auf der primären Wechselspannungsleitung erzeugt werden.

Für ein einwandfreies Arbeiten von Distanzrelais ist also eine unverzerrte Reproduktion der Änderungen der Primärspannung wesentlich. Bei dem erwähnten .bekannten Wechselspannungsteiler werden zwar die unzulässigen Verzögerungen des Ansprechens von Schutzvorrichtungen verhindert Der Entladewiderstand hat jedoch die unerwünschte Wirkung, daß zwischen dem Meßsignal und der primären Wechselspannung Phasenverschiebungen auftreten. Die Folge ist wieder ein verzögertes Ansprechen von Schutzvorrichtungen, z. B. im Falle eines Kurzschlusses im primären Wechselspannungskreis. Außer Phasenverschiebungen treten als Folge des Entladewiderstands außerdem auch Einschwingvorgänge im Meßsignal auf, die ebenfalls ein einwandfreies Arbeiten des Schutzsystems für die primäre Wechselspannung stören können.

Bei dem aus der DE-OS 26 34 595 bekannten kapazitiven Wechselspannungsteiler der eingangs definierten Art wird der Vergleichsschaltung am einen Eingang die am Meßkondensator liegende Sekundärspannung, also das Meßsignal, und am anderen Eingang eine reine Wechselspannung zugeführt die über einen Transformator vom Ausgang eines an die Sekundärspannung geschalteten Verstärkers kommt. Der Zweck der bekannten Schaltungsanordnung nach einer vorausgehenden Unterbrechung eine überschießende Spannung durch kurzzeitiges Überbrücken des Meßkondensators abzuleiten. Sobald die Vergleichsschaltung feststellt, daß an dem Meßkondensator eine Gleichspannung, aber keine Wechselspannung vorhanden ist, wie dies der Fall ist, wenn die Primärspannung unterbrochen war, schließt sie den das Ableitglied einschaltenden Schalter, bei dem es sich z. B. um einen Transistor handeln kann. Dieser Schalter wird anschließend erst nach dem Ende einer vorgegebenen Verzögerungszeit wieder geöffnet, und zwar von einer gesonderten Steuervorrichtung über eine bistabile Schaltung in Abhängigkeit von dem ersten Nulldurchgang der Leitungsspannung, der nach dem Ende der vorgegebenen Verzögerungszeit nach dem Wiedereinschalten der Leitung auftritt. Im normalen Betrieb, d. h. bei eingeschalteter Wechselspannung, soll das Ableitglied nicht einschaltbar sein. Die bekannte Schaltungsanordnung kann daher zwar Gleichspannungskomponenten beseitigen, die beim Abschalten und Wiedereinschalten der Primärspannung auftreten, doch spricht sie nicht an, wenn sich das Meßsignal verfälschende Gleichspannungen z. B. durch Überspannungen. Blitzschlag, Schaltwessen usw. bei vorhandener Wechselspannung bilden. Ferner kann das Meßsignal durch die verzögerte, von dem Verschwinden der Gleichspannungskomponente unabhängige Wiederausschaltung des Ableitgliedes verzerrt werden. Zum Zuführen des reinen Wechselspannungssignals für den Eingang der Vergleichsschaltung muß am Ausgang des Transformators des für Meß- oder Schutzzwecke nachgeschalteten Zwischenverstärkers eingegriffen werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für Meßzwecke verwendbaren kapazitiven Wechseispannungsteiler der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß nicht nur Gleichspannungskomponenten nach Unterbrechung der Primärspannung abgeleitet werden, sondern auch während des Betriebes auftretende unerwünschte Verzerrungen des Meßsignals weitgehend vermieden werden, ohne daß in nachfolgend angeschlossene Vorrichtungen eingegriffen werden müßte.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 3 gelöst.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den -Unteransprüchen angegeben.

Ein für Gleichstrom sperrendes Filter ermöglicht es der Vergleichsschaltung, eine gewünschte Wechselspannung von der Gleichspannungskomponente zu unterscheiden. Bei anderen Ausführungsformen kann man jedoch auch Steuervorrichtungen verwenden, bei denen das Vorhandensein einer Gleichspannungskomponente dadurch direkt festgestellt wird, daß man diese von der Sekundärspannung über ein für Gleichstrom durchlässiges Filter abnimmt.

Eines der Steuereingangssignale der Vergleichsschaltung kann auch von einem getrennten weiteren kapazitiven Wechselspannungsteiler abgenommen werden, der zwischen einerseits die Primärspannung und andererseits die Bezugsspannung geschaltet ist und aus einer Reihenschaltung zweier Kondensatoren besteht. Eine solche Schaltung liefert zwei Steuereingangssignale für die Vergleichsschaltung.

Da bei einer Schaltung der letztgenannten Art zwei kapazitive Wechselspannungsteiler benötigt werden, sind im Falle von hohen Spannungen jedoch zwei Hochspannungskondensatoren erforderlich, die direkt mit der Hochspannung verbunden sind. Da die Hochspannungskondensatoren von kapazitiven Spannungsteilern für hohe Spannungen im allgemeinen in das Hochspannungsleitersystem integriert sind, kann der zusätzliche zweite Hochspannungskondensator Probleme mit sich bringen. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird daher wieder nur ein einziger, mit der Primärspannung verbundener Hochspannungskondensator verwendet, und zwischen den Hochspannungskondensator einerseits und die Bezugsspannung andererseits werden eine Reihen- und/oder Parallelschaltung von mehreren Steuerkondensatoren geschaltet, um die

so Steuereingangssignale für die Vergleichsschaltung zu erzeugen. Bei einer solchen Ausführungsform können die Kondensatoren solche Werte erhalten, daß sich die verschiedenen sekundären Steuerspannungen der Steuerkondensatoren gegenseitig nicht oder nur sehr wenig beeinflussen. Hierdurch werden die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung erheblich erweitert und eine noch genauere und schnellere Arbeitsweise gewährleistet. Einer der Steuerkondensatoren kann gleichzeitig auch den Meßkondensator bilden; für diesen kann jedoch ein getrennter Kondensator verwendet werden, wenn eine Überbrückung durch die einstellbare Leckimpedanz vorgesehen ist.

Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Frfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine kapazitive Spannungsteilerschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine graphische Darstellung eines richtigen

Wechselspannungssignals und eines Meßsignals mit einer positiven Gleichspannungskomponente;

F i g. 3 eine F i g. 2 entsprechende Darstellung mit einem Meßsignal, das eine negative Gleichspannungskomponente enthält:

Fig. 4 eine zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung gemäß Fig. 1 dienende graphische Darstellung von Signalen, die Eingängen einer Vergleichsschaltung zugeführt werden;

Fig. 5 eine graphische Darstellung entsprechend Fig.4 für die gleichen Signale, jedoch mit einer periodisch herabgesetzten Impedanz eines Gliedes veränderbarer Impedanz;

Fig.6 eine Spannungsteilerschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 7 eine Spannungsteilerschaltung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, bei der eine zweite Reihenschaltung aus Kondensatoren mit zwei getrennten Steuerkondensatoren verwendet wird;

F i g. 8 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der zwei getrennte, in Reihe geschaltete Steuerkondensatoren und ein Hochspannungskondensator verwendet werden;

Fig.9 eine Abwandlung der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 8;

Fig. 10 eine weitere Abwandlung der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 8; und

F i g. 11 eine Schaltungsanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der ein Hochspannungskondensator und zwei Steuerkondensatoren, die in parallelen Zweigen liegen, verwendet werden.

Die in Fig. 1 dargestellte Spannungsteilerschaltung enthält einen kapazitiven Wechselspannungsteiler aus einem Kondensator Ci und einem Meßkondensator C?, die z. B. zwischen eine Hochspannungsleitung eines Wechselstromnetzes und Erde geschaltet sind. Dem Meßkondensator C2 ist ein für Gleichstrom leitfähiges Ableitglied veränderbarer Impedanz parallelgeschaltet, welches einen Schalter S] und einen Entladewiderstand R_L enthält Ferner sind sowohl der Meßkondensator C2 als auch der Entladewiderstand Rl mit einer Bezugsspannung verbunden. Es kann sich hier um dieselbe Bezugsspannung handeln, oder der Meßkondensator C2 und der Entladewiderstand Rl können auch an unterschiedliche Bezugsspannung angeschlossen sein.

Der aus den Kondensatoren Q und C? bestehende Spannungsteiler wirkt als breitbandiger Spannungsteiler, solange der Schalter Si offen ist. Alle Vorgänge, sowohl schnelle Spannungsänderungen als auch Gleichspannungen, werden dem hochohmigen Eingang eines Breitbandverstärkers V, unverzerrt zugeführt. Der Ausgang des Verstärkers V₁, der hier lediglich als Impedanzwandler oder Spannungsfolgeschaltung, z. B. Emitterverstärkerschaltung, ausgebildet ist, liefert ein gewünschtes Meßsignal B, das z. B. für Schutzzwecke verwendet werden kann.

Wenn im Meßsignai eine Gleichspannungskomponente auftritt, entlädt sich ein für Gleichstrom sperrendes Filter F, mit einer gewissen Zeitkonstante, aufgrund derer der Gleichspannungsanteil im Signal A dieses Filters rasch abfällt, während die Gleichspannungskomponente am Eingang dieses Filters und damit auch im Meßsignal B wegen des hohen Eingangswiderstandes des Verstärkers Vi zuerst einmal bestehen bleibt.

Das Signal A des Filters F₁. bei dem es sich hier um ein Bandfilter mit einer Mittenfrequenz, die der Frequenz der gewünschten Nutzwechselspannung entspricht, handelt, wird also nach einer kurzen Periode ein schmalbandiges Grundschwingungssignal ohne Glcichspannungskomponente sein.

Das Signal A des Filters Fi wird zusammen mit dem unveränderten Signal ßdes Verstärkers V, als Steuersignal einer Vergleichsschaltung D zugeführt, in der die Signale A und B miteinander verglichen werden. Die Vergleichsschaltung D ist mit einer logischen Entscheidungsschaltung B_L gekoppelt. Das Ausgangssignal 5 der Entscheidungsschaltung kann den Schalter S₁ bei Vorhandensein einer Gleichspannungskomponente schließen. Dies wird der Fall sein, wenn die Signale A und B verschieden sind. Solange B größer ist als A, sollte die Bezugsspannung V_re,. i.die dem Ableitglied mit der veränderbaren Impedanz zugeführt wird, kleiner als ßsein, und wenn B kleiner ist als A, sollte diese Bezugsspannung größer als B sein. Man betrachte die F i g. 2 und 3: In F i g. 2 ist B infolge einer positiven Gleichspannungskomponente größer als A, während in F i g. 3 das Signal B wegen einer negativen Gleichspannungskomponente in der Sekundärspannung kleiner ist als A.

Bei einer einfachen, vorteilhaften Ausführungsform sind die Bezugsspannungen für den Meßkondensator C₂ und für den Entladewiderstand Rl beide gleich, z. B. 0 Volt. Der Schalter Si kann dann solange geschlossen werden, wie B größer ist als Null, wenn B größer ist als A, oder solange, wie B kleiner ist als Null, wenn B kleiner ist als A. In den F i g. 2 und 3 sind die Perioden, während derer der Schalter S\ geschlossen ist, durch dick gezeichnete Teile der horizontalen Zeitachse dargestellt. Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß bei positivem Signal A (mit B kleiner als A) das Schließen des Schalters Si eine vergleichsweise weniger komplizierte Realisierung der logischen Entscheidungsschaltung Bl ermöglicht.

Die Wirkung ist besser bei einer Ausführungsform, in der die Bezugsspannung V_rer. 1 für den Entladewiderstand R_L derart verändert oder eingestellt wird, z. B. mittels der logischen Entscheidungsschaltung B_t., daß die Bezugsspannung V_rc,. 1 immer kleiner ist als B, solanCTP A \inrr\o\r^r\ D »rf Λι/^ηη D rryntiar· ir-4 nl« Λ \ ,inA

lu.ig,*. Ji U11£,1^1W1I IS Ul γτ*ι*1111 IS glVWW Ul *ΧΙΛ ΓΛ J, UIIU größer als B, wenn S kleiner ist als A. Bei dieser letztgenannten Ausführungsform wird V_n./.1 entweder analog oder digital verändert oder eingestellt. Hier kann beispielsweise auch das Signal A als Bezugsspannung verwendet werden.

Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 soll nun unter Bezugnahme auf die F i g. 4 und 5 erläutert werden. F i g. 4 gilt für den Fall, daß der Schalter S, auch bei Vorhandensein einer Gleichspannung am Meßkondensator geöffnet bleibt. Das Signal A ist das schmalbandige Grundschwingungssignal, das vom Ausgang des Filters F₁ stammt, während das Signal B das Wechselspannungssignal mit der Gleichspannungskomponente vom Verstärker Vi ist Wie ersichtlich, ist dieses Signal B infolge einer positiven Gleichspannungskomponente am Meßkondensator bezüglich des Nullpotentials nach oben verschoben. Die Nulldurchgänge der ansteigenden und abfallenden Flanken des Signals S sind dementsprechend gegenüber den normalen Nulldurchgängen entsprechend dem Signal A versetzt, was zu den oben erwähnten Steuerfehlern der Distanzrelais führen kann.

Fig.5 zeigt den Fall, daß der Schalter Si durch die logische Entscheidungsschaltung Bl immer während der positiven Halbwellen von A geschlossen wird, da dann B größer als A und V_n,., gleich Null ist. Unten in Fig.5 ist die Stellung des Schallers Si dargestellt, wobei die

Ziffer »1« bedeutet, daß der Schalter geschlossen ist, während die Ziffer »0« bedeutet, daß der Schalter geöffnet ist. Wie ersichtlich, klingt bei geschlossenem Schalter die schraffiert gezeichnete Restspannung ab. Während der negativen Halbwellen ist der Schalter geöffnet, und die Restspannung bleibt daher gleich. Während der anschließenden Halbwellen wird der Schalter dann wieder geschlossen, und die Restspannung verschwindet vollständig. Hierauf liefert der Verstärker Vi dann wieder das richtige Wechselspannungssignal ohne Gleichspannungskomponente. Wenn als Bezugsspannung eine Spannung entsprechend dem Signal A verwendet wird, braucht der Schalter während der negativen Halbwellen nicht geöffnet zu werden. In diesem vorteilhaften Falle klingt die Restladung auch während der negativen Halbwellen ab.

Das bei diesem Beispiel verwendete Bandfilter kann auch durch ein Hochpaßfilter ersetzt werden. Dem Filter kann ein Allpaß-Phasenkorrekturfilter in Reihe geschallet werden, um den Phasengang des Filters zu korrigieren.

F i g. 6 zeigt ein typisches Ausführungsbeispiel mit einem für Gleichstom durchlässigen Filter F2, welches aus einem Tiefpaßfilter E und einem diesem in Reihe geschalteten Bandsperrfilter H, das auf die Frequenz der Nutzwechselspannung zentriert ist, besteht. Das Ausgangsignal (B-A) des Bandsperrefilters stellt das breitbandige Meßsignal dar, aus dem u. a. die Nutzwechselspannungskomponente herausgefiltert ist; dieses Signal enthält also alle unerwünschten Komponenten mit Frequenzen, die unterhalb der Frequenz der Nutzwechselspannung liegen. Das Signa! (B-A) wird nach Inversion und Summierung mit dem Signal B durch die Vergleichsschaltung D zur Steuerung einer logischen Emscheidungsschaitung Bl verwendet, wie F i g. 6 zeigt.

Man kann auf die Inversion und Summierung auch verzichten und das Signal (B-A) direkt dem Eingang 1 der Vergleichsschaltung D als Steuersignal zuführen. Dem Eingang 2 sollte dann ein Bezugspotential, z. B. die Spannung Null, zugeführt werden.

F i g. 7 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine zweite Reihenschaltung aus Kondensatoren für die Erzeugung eines der Steuereingangssignale der Vergleichsschaltung D verwendet wird. Von einer Verbindung eines Hochspannungskondensators C₁ und eines Meßkondensators C2 wird ein Signal abgenommen, welches als Meßsignal für die Steuerung von Schutzvorrichtungen dienen kann und einem Verstärker Vi zugeführt wird, welcher ein verstärktes Signal B liefert, das einem Eingang 2 einer Vergleichsschaltung D als Steuersignal zugeführt wird. Dies entspricht den oben erwähnten Schallungen.

Dem kapazitiven Spannungsteiler aus der Reihenschaltung der Kondensatoren G und Ci ist jedoch bei diesem Ausführungsbeispiel ein zweiter kapazitiver Spannungsteiler aus einem Hochspannungskondensator C3, dem ein Steuerkondensator Ca in Reihe geschaltet ist, parallelgeschaltet. Von der Verbindung der Kondensatoren C3 und Ca wird ein Signal über ein für Gleichstrom sperrendes Filter Fi (das in F i g. 7 beispielsweise als Bandfilter dargestellt ist) abgenommen, das bezüglich der Frequenz der Nutzwechselspannung zentriert ist Die Ausgangsspannung des Filters wird einem Eingang 1 einer Vergleichsschaltung D als Signal A zugeführt Falls erforderlich, kann dem Kondensator Ca ein hochohmiger Entladewiderstand parallelgeschaltet werden, um etwaige Restladungen zu entladen. Für die Funktion des Filters ist ein solcher Widerstand jedoch nicht notwendig.

Sollte am Meßkondensator eine Gleichspannungskomponente oder eine Ladung auftreten, so wird diese wegen des Filters Fi nicht zum Eingang 1 der Vergleichsschaltung D übertragen; sie bleibt jedoch fürs erste am hochohmigen Eingang des Verstärkers V, bestehen, da der Schalter S\ noch offen ist. Die Vergleichsschaltung D und die logische Entscheidungsschaltung Bl arbeiten wieder wie bei dem vorangegangenen lypisehen Beispiel und betätigen den Schalter Si, wenn in der Sekundärspannung vom ersten Spannungsteiler eine Gleichspannungskomponente auftritt.

Selbstverständlich sind auch hier Abwandlungen, insbesondere bezüglich der Filter möglich, wie es oben in Verbindung mit dem ersten typischen Ausführungsbeispiel erläutert wurde. So kann man beispielsweise das Ausgangssignal eines für Gleichstrom durchlässigen Filters verwenden.
Das Ableitglied veränderbarer Impedanz, das bei den oben beschriebenen typischen Ausführungsbeispielen im wesentlichen aus der Reihenschaltung eines Widerstandes und eines Schalters besteht, läßt sich ebenfalls auf verschiedene Weise realisieren. So kann man z. B. eine Impedanz verwenden, deren Wert vom Ausgangssignal S der logischen Entscheidungsschaltung abhängt, wie ein Halbleiterbauelement oder eine Elektronenröhre.

Anstatt eines einzigen Ableitwiderstandes Rl können auch mehrere Schalter S Ss mit entsprechenden

Ableitimpedanzen Ru, ■ ■ ■ Rln verwendet werden, welche nicht unbedingt alle den gleichen Impedanzwert zu haben brauchen. Mittels eines Analog/Digital-Umsetzers kann der Wert der Gleichspannungskomponente in digitale Ausgangssignale umgewandelt werden, die die Schalter Si bis S/v steuern. Wenn man beispielsweise mit einem digitalen Eins-Aus-N-Code arbeitet, kann man entsprechend dem Wert der Gleichspannungskomponente eine bestimmte Ableitimpedanz über den Schalter Slw entsprechend der Beziehung

einschalten. Andererseits können die Impedanzen Rl\ bis Rln auch untereinander gleiche Werte haben, und es werden dann je nach dem Wert der Gleichspannungskomponente keiner, einer oder mehrere Schalter geschlossen.

Gemäß einer weiteren möglichen Abwandlung werden auch entsprechende Bezugsspannungen für die Ab-

leitimpedanzen Rl Rln durch den A/D-Umsetzer

gesteuert.

Wie bereits erwähnt, kann das Ableitglied veränderbarer Impedanz das bei den obigen Beispielen aus einer oder mehreren Impedanzen und einem oder mehreren, mit den Impedanzen in Reihe geschalteten Schaltern bestand, auch den inneren Widerstand eines Halbleiterbauelements, z. B. eines Feldeffekttransistors, enthalten. Diesem kann dann beispielsweise die Gleichspannung (B-A) vom gleichstromdurchlässigen Filter Fi als Steuerspannung entweder direkt oder über einen Spannungsteiler oder Impedanzwandler zugeführt werden. Die Schaltung soll dann selbstverständlich so ausgeführt sein, daß die Impedanz des Halbleiterbauelements sinkt, wenn die Gleichspannung (B-A) vom Filter F2 ansteigt.

Im folgenden sollen noch einige Abwandlungen des kapazitiven Wechselspannungsteilers gemäß der Erfindung beschrieben werden, durch die Anwendungsmöglichkeiten vergrößert werden, bei denen sich, wie bei der

Schaltungsordnung gemäß Fig. 7, die beiden Meßsignale gegenseitig nicht beeinflussen, und bei denen ferner eine bessere Stabilität und eine höhere Regel- oder Steuergeschwindigkeit erreicht wird, obwohl nur ein einziger Hochspannungskondensator erforderlich ist.

Bei diesen neuen Ausführungsformen lassen sich zwei verschiedene Typen bzw. Methoden unterscheiden. Beim ersten Typ wird vom Stromquellenprinzip Gebrauch gemacht, er läßt sich bei kapazitiven Wechselspannungsteilern mit einem Hochspannungskondensator anwenden, dessen Kapazitätswert sehr klein im Vergleich zu den Werten der anderen Reihenkondensatoren ist. Der Strom durch den kapazitiven Wechselspannungsteiler wird dadurch sehr klein gehalten und ausschließlich durch den Hochspannungskondensator sowie die Primärspannung bestimmt. Beispielsweise ergibt sich bei einer primären Phasenspannung von 240 kV, einem Hochspannungskondensator mit einem Wert von 10 pF und einem einzigen, in Reihe geschalteten Meßkondensator mit einem Wert von 0,2 μΡ ein Stromfluß in der Größenordnung von 0,75 mA, wobei am Meßkondensator eine Spannung von 12 V auftritt. Anstelle des Hochspannungskondensators kann man sich daher eine in Reihe mit dem Meßkondensator geschaltete Stromquelle denken. Der Strom wird dementsprechend nicht durch etwaige Spannungen beeinflußt, die auf den Meßkondensator einwirken und von Schaltungsanordnungen, die mit dem Meßkondensator verbunden sind, stammen.

F i g. 8 zeigt eine praktische Ausführungsform eines kapazitiven Spannungsteilers, der nach dem Stromquellenprinzip arbeitet. In Reihe mit einem Kondensator Q und einem als Steuerkondensator bezeichneten Kondensator C₂ ist nun noch ein dritter Kondensator C) geschaltet, der ebenfalls ein Steuerkondensator ist und einen Kapazitätswert der gleichen Größenordnung hat wie der Kondensator C₂. In diesem kapazitiven Wechselspannungsteiler ist der den Hochspannungskondensator C] und die Steuerkondensatoren Ci und Ci durchfließende Strom ausschließlich durch den Hochspannungskondensator Ci und die primäre Hhasenspannung Vp bestimmt, und der Hochspannungskondensator soll daher eine wesentlich kleinere Kapazität als die Kondensatoren C₂ und C₃ haben. Der Spannungsteilerstrom ist ferner praktisch unabhängig von den Spannungen 4s Vci und Vo, die an den Kondensatoren C₂ bzw. Ci auftreten.

Die Spannung Va wird einem Verstärker zugeführt, und die Ausgangsspannung dieses Verstärkers dient als breitbandiges Steuersignal B für eine nicht dargestellte Vergleichsschaltung. Dem Steuerkondensator C₂, der im vorliegenden Falle außerdem auch als Meßkondensator arbeitet und das Meßsignal liefert, ist ein Glied veränderbarer Impedanz parallelgeschaltet, das beispielsweise aus einem Schalter 5 und einem Ableitwiderstand R₁ besteht. Die Spannung Va am Steuerkondensator Cz dient als Steuersignal A nach Verstärkung und Filterung und liefert dementsprechend das schmalbandige Grundschwingungssigna]. Die Signale A und B werden in der oben beschriebenen Weise einer Vergleichsschaltung zugeführt, deren Ausgangssignal den Schalter S betätigen kann. Wenn die Spannung Vc₂ eine Gleichspannungskomponente enthält, wird 5 geschlossen. Als Ergebnis einer Betätigung des Schalters 5 werden entsprechende Einschwing- oder Ausgleichsspannungen am Steuer- und Meßkondensator C₂ auftreten, die dementsprechend auch in der Spannung Vc₂ erscheinen, in der Primärspannung V_P jedoch nicht vorhanden sind. In gleichem Maße, jedoch mit entgegengesetzter Polarität treten diese Einschwing- und Ausgleichsspannungen auch in V_a auf, da

Vp = Va + Vc₂ + Va

ist, wobei Va sehr viel kleiner als Vo + Vc₂ ist. In Vn werden diese Einschwing- und Ausgleichsspannungen daher in stark gedämpfter Form wiedergegeben. Va ist daher nahezu unabhängig von Vb und stellt daher ein besseres Abbild der reinen primären Wechselspannung dar als das Steuersignal A in den Ausführungbeispielen, welche anhand der F i g. 1 bis 6 erläutert worden waren.

Dem Kondensator C₃ ist ein Widerstand R parallelgeschaltet, welcher der Übertragungsfunktion VaI Vr einen Hochpaßcharakter verleiht. Wenn beispielsweise das Steuersignal A durch ein Tiefpaßfilter geleitet wird, ergibt sich die Wirkung eines Bandfilters. Das Steuersignal A kann vorteilhafterweise auch durch ein Phasenkorrekturfilter geleitet werden, wie es oben z. B. in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 6 erwähnt worden war. Der Einfluß des Widerstandes R läßt sich in Vci nicht oder kaum feststellen, da hier dieselben Argumente gültig sind, wie sie für die Wirkung von Va auf Vc₂ dargelegt worden sind.

In der oben beschriebenen Weise lassen sich also Steuersignale A und B mittels eines einzigen, einen Hochspannungskondensator Ci enthaltenden Wechselspannungsteiler erzeugen, wobei das Signal B gleichzeitig das für Schutzzwecke benötigte Meßsignal bildet.

F i g. 9 zeigt eine Abwandlung der anhand von F i g. 8 erläuterten Schaltungsanordnung. Hier ist noch zusätzlich ein Kondensator C5 zwischen den Hochspannungskondensator Ci und den ersten Steuerkondensator C₂ geschaltet, um eine weitere Meßspannung V₄ über einen Transformator T_s abnehmen zu können.

Während bei der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 8 die Kapazität des Hochspannungskondensators wesentlich kleiner als die der beiden Steuerkondensatoren sein soll, soll bei der Ausführungsform gemäß F i g. 9 die Gesamtkapazität bzw. die resultierende Kapazität des Hochspannungskondensators G und des weiteren Kondensators Cs wesentlich geringer sein als die Kapazität der Steuerkondensatoren C₂ und C3. In diesem Falle ist wieder das Stromquellenprinzip gültig. Bei dieser Abwandlung muß C₂ im allgemeinen eine größere Kapazität haben als bei der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 8, da bei dieser Abwandlung C\ schon einen höheren Wert hat als C\ in Fig.8. Das Einschalten eines Ableitwiderstandes Rl kann daher mit höheren Strömen in Schalter S verbunden sein. Wenn hierfür ein elektronischer Schalter verwendet wird, sind jedoch solche höheren Ströme unter Umständen unerwünscht.

Dieses Problem läßt sich durch das Einschalten eines weiteren Kondensators C₆ zwischen den Schalter S und die Verbindung der beiden Kondensatoren C₂ und C5 beheben. Wenn der Kapazitätswert von C₆ wesentlich kleiner als der von C₂ gewählt wird, kann der Schalter S mit niedrigeren Strömen betrieben werden. Bei geschlossenem Schalter 5 wirken C₆ und R_L als Hochpaßfilter. Beim Auftreten einer Gleichspannung am Kondensator C₂ wird der Schalter 5 durch eine Anordnung der oben erläuterten Art geschlossen.

Der Kondensator C₆ wird dabei über R_L auf die gleiche Spannung aufgeladen, wie sie an C₂ herrscht. Sobald die beiden Spannungen gleich sind, wird der Schalter S wieder geöffnet, und als Folge hiervon wird die an C₆ liegende Gleichspannung mit entgegengesetzter Polari-

tat zu der an C₂ liegenden Gleichspannung addiert, d. h. die Gleichspannung am Schalter Sist nun gleich Null.

Fig. 10 zeigt eine weitere Variante einer Schaltungsanordnung, die nach dem Stromquellenprinzip arbeitet.

Auch bei dieser Schaltungsanordnung wird im Weqhselspannungsteiler nur ein Hochspannungskondensator verwendet. Die beiden Steuerkondensatoren C₃ und Cj liegen hier jedoch nicht in einer Reihenschaltung, sondern in zwei verschiedenen Parallelzweigen. Außer dem Steuerkondensator C₃ bzw. Cs enthält jeder Zweig noch einen Kondensator C₂ bzw. C₄. Bei einer solchen Schaltung soll die Bedingung erfüllt sein, daß die Kapazitätswerte der Kondensatoren C₃ und C5 wesentlich höher sind als die der Kondensatoren C,, C3 undC₄. Der Strom durch den Hochspannungskondensator C) und die beiden Parallelzweige wird hier wieder durch den Hochspannungskondensator Ci und ferner in den einzelnen Zweigen durch die Werte der Kondensatoren C₂ und C₄ bestimmt. Ausgleichsspannungen V_(rs, die beispielsweise entstehen, wenn der Schalter 5 zum Ableiten etwaiger Gleichspannungen an C5 über Rl geschlossen wird, ergeben in Vb einen Spannungsanteil

C ₂(C₁ + C₂)

^r'^r C₃(Q + C₂+ Ca) ■

Vom Einfluß des dem Steuerkondensator C₃ parallelgeschalteten Widerstandes R ist andererseits nur der Bruchteil

C₄ (Ci + C₂)

C₅ (C, + C₂ + C₄)

merkbar.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 10 hat den Vorteil, daß der Verstärker für das Signal B keine Gleichtaktkomponente erhält, wie es bei den Schaltungen gemäß F i g. 9 und 8 der Fall ist. Die Schaltung hat jedoch unter Umständen den Nachteil, daß an der Verbindung von C, C₂ und C₄ gegebenenfalls eine Spannung auftritt, die hoch verglichen mit der Spannung am Verbindungspunkt der Kondensatoren C, und C₂ der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 8 ist.

F i g. 11 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einem Hochspannungskondensator, die nach dem Spannungsquellenprinzip arbeitet. Diese Schaltung eignet sich besonders für mittlere Spannungen. Der Kondensator C₂ und der Transformator 7"_s, die die Spannung V₅ liefern, sind für die Erfindung nicht wesentlich, sie können F i g. 9 für weitere Schutzzwecke vorgesehen sein.

Obwohl die beiden Steuerkondensatoren C5 und Ci jeweils in einem von zwei parallelen Zweigen liegen, arbeitet die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 11 nicht auf dem Stromquellenprinzip, sondern auf dem Spannungsquellenprinzip, da zusätzlich ein Kondensator C3 parallelgeschaltet ist, dessen Wert wesentlich höher ist als der Kapazitätswert der Kondensatoren Ci und C₂ und der resultierenden Kapazität von Ca + Cs bzw. Ce, + Ci. Bei diesem kapazitiven Wechselspannungsteiler kann der Kondensator C, bei einer bevorzugten Ausfphrungsform für z. B. 10 kV einen Wert von 0,01 μΡ haben, der Kondensator C₂ einen Wert von 0,033 μΡ und der Kondensator C3 einen Wert von ΙμΡ. Der Wert des durch den kapazitiven Spannungsteiler fließenden Stromes wird daher etwas höher sein als der des Stromes im Spannungsteiler gemäß F i g. 8, da die Kapazitäten der Kondensatoren Ci und C₂ größer sind.

C, und C₂ bestimmen praktisch den den Spannungsteiler durchfließenden Strom. Es ist jedoch einzusehen, daß der Kondensator Ci aufgrund seiner höheren Kapazität durch eine Spannungsquelle mit der ungefähren Leerlaufspannung

VP

C, C₂

(C, + C₂) C₃

ersetzt werden kann. Der Strom durch die zu C₃ parallelgeschalteten Spannungsteiler ist bezüglich des Stromes durch C3 vernachlässigbar. Parallel zu C5 ist eine veränderbare Ableitimpedanz geschaltet, welche aus einem Widerstand Ri. in Reihe mit einem Schalter S besteht und zum Entladen von Gleichspannungen dient, die an C5 auftreten. Der Schalter 5 wird durch eine Anordnung der oben beschriebenen Art geschlossen bzw. betätigt. Dabei treten jedoch Ausgleichsspannungen an Ci auf, die ferner mit gleichem Betrag und entgegengesetzter Polarität an C₄ erscheinen, da Vb gleich Vc₄ + Vb und konstant ist. Auf diese Weise wird das breitbandige Steuersignal B gewonnen, das als Eingangssignal für eine nicht dargestellte Vergleichsschaltung mit zwei Eingängen dient, wie sie bei den zuerst beschriebenen Ausführungsbeispielen erläutert wurde.

Das Signal B wird ferner als Meßsignal für Schutzzwekke benutzt.

Das schmalbandige Steuersignal A wird vom Spannungsteiler Cs, Ci abgenommen. Parallel zu Q ist wieder ein Widerstand R geschaltet, um eine Hochpaßcharakteristik zu erzielen. Hier kann man auch ein Bandfilter realisieren, indem man ein Tiefpaßfilter hinzufügt. Der Einfluß von R auf Vr₃ ist wieder vernachlässigbar, da etwaige Störungen wieder an G mit entgegengesetzter Polarität auftreten, da

hier ebenfalls einen konstanten Wert hat.

Der kapazitive Spannungteiler gemäß F i g. 11 kann auch mit einem Hochspannungskondensator kleinen Kapazitätswertes, z. B. 10 pF verwendet werden. In diesem Falle kann C₃ einen Wert von 0,25 \k¥ haben, und die Kondensatoren C₄ bis Ci können jeweils einen Wert von 3,2 μΡ haben. Wenn die Primärspannung 400 kV beträgt und der Kondensator C₂ in F i g. 11 weggelassen wird, tritt an der Verbindung zwischen dem Hochspannungskondensator C, und den Kondensatoren Cj. C₄ und Ct eine Spannung von 2Q V auf. Die Spannungen der Signale A und B werden dann jeweils 10 V betragen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann man sich C, durch eine Stromquelle und C₂ durch eine Spannungsquelle ersetzt denken. Wenn C,, die resultierende Kapazität von C₄ und Cs sowie die resultierende Kapazität von Ce und Ci wesentlich geringer als C₂ gewählt \a erden, beeinflussen sich die Meßspannungen A und B gegenseitig nur sehr wenig.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kapazitiver Wechselspannungsteilcr, insbesondere für mittlere und hohe Spannungen,
mit einer zwischen eine Primärspannung und eine Bezugsspannung geschalteten Kondensatoranordnung, die einen mit der Primärspannung verbundenen, mit der restlichen Kondensatoranordnung in Serie geschalteten Kondensator enthält, während ein nicht unmittelbar mit der Primärspannung verbundener Kondensator als Meßkondensator dient, der als Sekundärspannung ein Meßsignal zur Betätigung von angeschlossenen Schutzvorrichtungen liefert und mit einem für Gleichstrom leitfähigen Ableitglied mit veränderbarer Impedanz verkoppelt ist, mit einer Vergleichsschaltung, welcher an ihrem einen Eingang als Meßsignal eine Gleichspannung und an ihrem anderen Eingang über eine für Gleichstrom sperrende Einrichtung ein aus der Sekundärspannung gewonnenes Wechselspannungssignal zuführbar sind,

und mit einer von der Vergleichsschaltung gesteuerten Schaltung, die ein Signal erzeugt, mit dem die Impedanz des Ableitgliedes zur Ableitung der eine Gleichspannungskomponente erzeugenden Ladung des Meßkondensators herabsetzbar ist und wieder heraufsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet,

daß die für Gleichstrom sperrende Einrichtung ein Filter (F₁) enthält, und

daß die Vergleichsschaltung (D)so ausgebildet ist, daß sie auch auf die der Sekundärspannung überlagerte Gleichspannungskomponente ansprechend die Herabsetzung der Impedanz des Ableitgliedes (SuRl)

sowie auf das Verschwinden der Gleichspannungskomponente ansprechend die Heraufsetzung der Impedanz auslöst.

2. Kapazitiver Wechselspannungsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (T^) für Gleichstrom durchlässig ist und an seinen Ausgang ein Summierglied geschaltet ist, dem an einem anderen Eingang das Meßsignal zugeführt ist (F ig. 6).

3. Kapazitiver Wechselspannungsteiler, insbesondere für mittlere und hohe Spannungen,

mit einer zwischen eine Primärspannung und eine Bezugsspannung geschalteten Kondensatoranordnung, die einen mit der Primärspannung verbundenen, mit der restlichen Kondensatoranordnung in Serie geschalteten Kondensator enthält, während ein nicht unmittelbar mit der Primärspannung verbundener Kondensator als Meßkondensator dient, der als Sekundärspannung ein Meßsignal zur Betätigung von angeschlossenen Schutzvorrichtungen liefert und mit einem für Gleichstrom leitfähigen Ableitglied mit veränderbarer Impedanz verkoppelt ist, mit einer Vergleichsschaltung, welcher an ihrem einen Eingang eine Gleichspannungskomponente als Meßsignal und an ihrem anderen Eingang ein Referenzsigna! zutührbar sind,

und mit einer von der Vergleichsschaltung gesteuerten Schaltung, die ein Signal erzeugt, mit dem die Impedanz des Ableitgliedes zur Ableitung der die Gleichspannungskomponente erzeugenden Ladung des Meßkondensators herabsetzbar ist und wieder heraufsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal ein festes Bezugspotential ist, daß zur Gewinnung der Gleichspannungskomponente aus dem Meßsignal ein für Gleichstrom durchlässiger Filter (E, H) vorgesehen ist, und daß die Vergleichsschaltung (D) so ausgebildet ist, daß sie auch auf das Verschwinden der Gleichspannungskomponente ansprechend die Heraufsetzung der Impedanz auslöst

4. Kapazitiver Wechselspannungsteiler nach An-Spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (F\) an den Verbindungspunkt zweier weiterer Kondensatoren (Ci, Cj) angeschlossen ist, die zwischen die Primärspannung und die Bezugsspannung geschaltet sind (F i g. 7).

5. Kapazitiver Wechselspannungsteiler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Able^:*glied mehrere Impedanzelemente enthält, von denen jedes mit einem Schalter in Reihe geschaltet ist, und daß die Vergleichsschaltung einen oder mehrere der Schalter entsprechend dem Wert der Gleichspannungskomponente steuert

6. Kapazitiver Wechselspannungsteiler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am anderen Anschluß des Ableitgliedes (S\, Rl) eine hinsichtlich Betrag und Polarität gesteuerte Spannung angelegt wird.

7. Kapazitiver Wechselspannungsteiler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerte Spannung am anderen Anschluß des Ableitgliedes (S], Rl) durch eine logische Entscheidungsschaltung (Bl) gesteuert und immer kleiner ist als das vollständig der Sekundärspannung entsprechende Meßsignal (B), wenn letzteres größer ist als die reine Wechselspannung, und immer größer ist als dieses Meßsignal (B), wenn es kleiner ist als die reine Wechselspannung.

8. Kapazitiver Wechselspannungsteiler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerte Spannung das Wechselspannungssignal ist.