DE4025325A1

DE4025325A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen von hochspannung

Info

Publication number: DE4025325A1
Application number: DE19904025325
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof Dipl I Bisterfeld
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-11-18
Filing date: 1990-08-10
Publication date: 1991-05-23

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer Hochspan nung sowie eine Vorrichtung zur Hochspannungsmessung.

Es ist bekannt, Hochspannungen im Bereich von mehreren 100 Kilo volt bis Megavolt, wie sie in Hochspannungsleitungen gegeben sind, über zwischen diesen und Erde angeordneten ohmschen Span nungsteilern zu messen, die aus Widerstandsmeßketten mit einer Vielzahl in Reihe geschalteter Widerstände bestehen. Zur Messung wird beispielsweise die Spannung über einem Widerstand, dessen Wert gegenüber dem Gesamtwiderstand der Meßkette klein ist, abgegriffen (beispielsweise Schwab, Hochspannungsmeßtechnik, Berlin 1981, insbesondere Seite 52 ff).

Die Messung wird allerdings beeinträchtigt durch parasitäre Erdkapazitäten, die auch schwanken können und die an sich kon tinuierlich verteilt sind, bei einer Widerstandsmeßkette im Ersatzschaltbild aber als diskrete Kapazitäten in einer RC-Kette dargestellt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Meßgenauigkeit beim Messen hoher Spannungen zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß durch die Hochspannung bedingte Ströme durch zwei Widerstands ketten gemessen werden, deren Widerstandselemente sich um ein Widerstandselement mit bekanntem Widerstandswert unterscheiden oder daß die Hochspannung über zwei Meßwiderstände gemessen wird, die jeweils in zwei parallel zueinander angeordneten Widerstandsketten vorgesehen sind, deren Widerstandselemente sich um ein Widerstandselement mit bekanntem Widerstandswert unterscheiden, wobei die Impedanzen oder Meßwiderstände klein gegenüber der Gesamtimpedanz der jeweiligen Widerstandskette sind. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung sieht zur Lösung der Aufgabe vor, daß zwischen Hochspannung und Erde zwei Widerstände unterschiedlicher Größe schaltbar sind, die sich durch Wider standswerte bekannter Größe unterscheiden. Dies kann entweder dadurch geschehen, daß zwei Widerstände unterschiedlicher Größe dadurch schaltbar sind, daß in einer Widerstandskette ein Wi derstandselement bekannten Widerstandswerts angeordnet ist, das durch einen Schalter überbrückbar ist oder daß zwischen Hoch spannung und Erde parallel zueinander zwei Widerstandsmeßketten angeordnet sind, die sich durch Widerstandselemente mit einem bekannten Widerstandswert unterscheiden.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Messung derart durchzuführen, daß die durch die parasitären Erdkapazitäten bedingten unbekannten Impedanzen weitgehend eliminiert werden. Dies kann zunächst dadurch erreicht werden, daß eine Wider standsmeßkette vorgesehen ist, die einen bekannten Widerstand, der zum Gesamtwiderstand der Meßkette relativ klein ist, auf weist, und der einerseits bei einer Messung in die Meßkette, über die die Messung vorgenommen wird, eingeschaltet wird und der andererseits bei einer nachfolgenden zweiten Messung überbrückt wird, bei der Messung also nicht in der Widerstands kette liegt.

Gemäß bevorzugter Ausgestaltungen ist dabei vorgesehen, daß eine erste Spannungsmessung während oder über eine erste Pe riode erfolgt, und in einer weiteren Periode diese weitere Spannungsmessung bei verändertem Widerstand der Meßhelle er folgt, wobei weiterhin die Umschaltung zur definierten Verän derung am Ende der ersten Periode erfolgt und/oder die weitere Messung während oder über die übernächste Periode erfolgt. Weitere Ausgestaltungen sehen vor, daß sich ergebende Pha senverschiebung der Spannungen bei in die Widerstandswerte eines geschalteten bzw. nicht geschalteten Widerstandselement mit bekanntem Wert bestimmt und bei der Spannungsbestimmung berücksichtigt wird und daß während einer ersten Periode mit hoher Taktzahl in einen Richtung gezählt wird, der am Ende der Periode erhaltene Wert festgehalten wird, beim Nulldurch gang der Spannung - gleichzeitig mit dem Umschalten des Schal ters - gegensinnig bis zum Ende der nächsten Periode nächster gleichsinniger Nulldurchgang gezählt wird und durch Quotien tenbildung beider Zählwerte sowie Multiplikation mit 360° die Phasenverschiebung bestimmt wird.

Wenn mit zwei Widerstandsmeßketten gearbeitet wird, so müssen diese räumlich eng benachbar angeordnet werden, ohne sich wie derum in unzulässiger Weise zu beeinflussen, um eine optimale Messung zu erreichen. In bevorzugter Ausgestaltung ist daher vorgesehen, daß die Widerstandsmeßketten eng nebeneinander in Form einer Doppelwendel auf einem zylindrischen Träger an geordnet sind.

Die erfindungsgemäß zwischen Hochspannung und Erde vorgesehenen Widerstandsmeßketten können alternativ derart ausgebildet sein, daß die Widerstandsmeßketten aus ohmschen Widerstandselementen bestehen oder daß die Widerstandsketten bis auf das bekannte, sie unterscheidende Widerstandselement (R_D) aus kapazitiven Widerständen bestehen.

Weitere Alternativen sehen vor, daß in der bzw. den Widerstands meßkette(n) Strommeßeinrichtungen vorgesehen sind oder daß in der bzw. den Widerstandsmeßkette(n) identische Meßwiderstands elemente (R₁) in Reihe angeordnet sind, die einen gegenüber der Gesamtimpedanz jeder Meßkette geringen Widerstand aufweisen und daß eine Anordnung zum Spannungsabgriff über diese Meßwi derständen (R₁) vorgesehen ist.

Wenn eine Strommessung vorgenommen wird, so ergibt sich die zu messende Hochspannung gemäß folgender Formel:

wobei I₁, I₂ die beiden gemessenen Ströme entweder durch die beiden nebeneinander angeordneten Widerstandsmeßketten oder die zeitlich hintereinander gemessenen Ströme sind. Bei dem Wider stand R_D handelt es sich um den Widerstand eines definierten, bekannten Widerstandselementes bei einer der beiden Messungen, durch welche sich die Widerstandsmeßketten bei beiden Messungen unterscheiden, während | Δ Z | der verbleibende absolute Meßfehler ist, dessen relativer Wert gegenüber R_D in Bereiche von wenigen hundertstel Prozent bringbar und daher vernachlässigbar ist.

Bei einer Spannungsmessung müssen in beiden Zweigen neben dem Widerstand R_D, durch den sich die beiden Meßketten unterschei den, weitere definierte Widerstände R₁ vorgesehen sein, deren Widerstand gegenüber der Gesamtimpedanz der Meßkette gering ist. Wenn über den letztgenannten Widerstand R₁ in jeder der beiden Meßketten die Spannung abgegriffen wird, so ergibt sich die zu messende Hochspannung | U _x | durch

wobei U₁, U₂ die Spannungsabfälle über R₁ in der einen und der anderen Meßkette sind. In beiden Fällen können die durch die parasitären Erdkapazitäten bestimmten Gesamtimpedanzen Z₁, Z₂ bis auf ihre klein zu haltende Differenz ΔZ eliminiert werden, so daß die zu messende Hochspannung ausschließ lich durch definiert bekannte bzw. leicht zu messende Größen gewinnbar ist.

Die Erfindung ermöglicht damit das Messen sehr hoher Spannungen mit hoher Genauigkeit.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vor richtung zur Hochspannungsmessung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Realisierung einer Vorrichtung zur Hochspannungsmessung nach der Fig. 1;

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung an einer weiteren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vor richtung zur Hochspannungsmessung;

Fig. 4 die Darstellung einer weiteren Ausgestal tung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Hochspannungsmessung; und

Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung eines Meß verfahrens unter Verwendung der Vorrichtung der Fig. 4.

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Hochspannungsleitung 1, die gegenüber Erde 2 mit einer Hochspannung versehen ist. Zwi schen Hochspannungsleitung 1 und Erde 2 ist die erfindungsge mäße Vorrichtung zur Hochspannungsmessung 3 angeordnet. Diese besteht im dargestellen Ausführungsbeispiel aus zwei parallel von der Hochspannungsleitung 1 auf Erde geführte Widerstands meßketten 3, 4, die bis auf einen zusätzlichen bekannten Wider stand R_D in der Meßkette 4 identisch aufgebaut sind und jeweils aus Widerstandselementen R₁ und R_K bestehen, die unterein ander gleich sein können, wobei die Gesamtheit der in Reihe angeordneten Widerstände R_K den Wert R₀ ergibt. Weiterhin sind in der Fig. 1 die nicht konstruktiv vorgesehenen, aber unvermeidlichen parasitären Erdkapazitäten in Form ihres auf die Widerstandsmeßkette einwirkenden Ersatzschaltbildes eingezeich net, die bedingen, daß die Widerstände R₀ in den beiden Ketten 3, 4 als nicht bekannte Impedanzen Z₀ bzw. Z₀ wirken, wobei Z₀ gegenüber Z₀ aufgrund nicht vollständig vermeidbarer Unsymmetrien geringfügig unterschiedlich ist.

Die zu messende von der Hochspannungsleitung 1 auf Erde abfallende Hochspannung U _x läßt sich mit der in der Fig. 1 prinzipiell dargestellten Vorrichtung durch Messen der durch beide Zweige fließende Ströme gemäß folgender Formel berechnen:

wobei groß | Δ Z | der verbleibende absolute Meßfehler aufgrund der Unterschiede zwischen Z₀ und Z′₀ ist. Der relative Meßfehler als Quotient von | ΔZ | und R_D kann ohne weiteres bis auf 0,05% gedrückt werden.

Alternativ können die Spannungen U₁; U₂ in beiden Zweigen über R₁, R′₁ ≈ R₁ abgegriffen werden. Die Hochspannung | U _x | ergibt sich dann durch

In einer typischen Anordnung werden die parallel geschalteten Widerstandsmeßketten der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einem Zylinder in einer Doppelwendel angeordnet. Da die Poten tialdifferenz zwischen den einzelnen Widerständen auf der Dop pelwendel relativ klein ist, können die parallel geführten Widerstände relativ eng benachbart sein. Sie können insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein. Hierdurch ergeben sich wesentliche Vorteile dahingehend, daß Zwillings widerstände, also einander zuzuordnende Widerstände der beiden Meßketten sich auf gleicher Temperatur befinden. Weiterhin werden die Zwillingswiderstände durch parasitäre Erdkapazitäten weitgehend gleich beeinflußt, wodurch der oben erwähnte Meß fehler gering gehalten werden kann.

Statt ohmscher Widerstände, wie sie bei der Ausgestaltung der Fig. 1 vorgesehen sind, kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung ebenfalls mit parallel angeordneten Meßketten aufgebaut werden, die kapazitive Widerstände C_K enthalten und sich im ihrem Aufbau lediglich durch den (ohmschen) Widerstand R_D unter scheiden, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Auch hier ergibt sich die Messung der Hochspannung gemäß der oben genannten Formel, da auch hier die Unbekannten durch die Kapazitäten und die parasitären Erdkapazitäten gebenden Impedanzen elimi niert werden können.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens und einer Vorrich tung zur Bestimmung der Hochspannung einer Hochspannungslei tung 1 gegenüber Erdpotentialen wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4 erläutert. Zwischen Hochspannungsleitung 1 und Erde 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich eine Widerstandsmeßkette 3a vorgesehen, die aus einer Reihe von hintereinander gestellten Widerständen Z besteht, die wie oben erläutert aus hintereinander angeordneten kapaziti ven oder ohmschen Widerständen gebildet sein kann und worin im übrigen die erläuterten unbekannten Störkapazitäten in der beschriebenen Weise eingehen. In Reihe hierzu ist ein bekann ter Meßwiderstand R_D und ggfls. ein weiterer Widerstand R_M geschaltet. Der Meßwiderstand R_D ist durch einen Schalter 10 überbrückbar. Bei dem Schalter 10 handelt es sich um einen geeigneten elektronischen Schalter.

Zunächst wird nun eine erste Messung beispielsweise des Span nungsabfalls über den Widerstand R_M mit geschlossenem Schal ter 10 (Fig. 4) über eine erste Periode (Fig. 5) vorgenom men. Am Ende der ersten Periode beim Nulldurchgang erfolgt mittels eines Güterimpulses ein Umschalten des Schalters 10, hier ein Öffnen desselben, so daß auch der Widerstand R_D in die Widerstandskette eingeschaltet wird. Hierdurch reduziert sich das Maxima der Wechselspannung und es erfolgt über ei nen Einschwenkvorgang von einer Periode eine Phasenverschie bung. Diese wird abgewartet, bevor in der dritten Periode, (also der übernächsten von der ersten Meßperiode aus) wie derum die Spannung über den Widerstand R_M gemessen wird.

In der Fig. 5 bezeichnet die durchgezeichnete Linie die tat sächliche über R_M abfallende Spannung. Die rechteckigen Kästchen geben den Spannungsverlauf für den Fall an, daß der Schalter (immer) geschlossen ist, während die Rechtecke den Spannungsverlauf für (immer) geöffneten Schalter angeben. In der zweiten Periode ist der Übergang zwischen beiden Schalt zuständen (von Quadrat zu Dreieck) erkennbar.

Aus den gemessenen Spannungen kann in der oben beschriebenen Weise (Formel 2) die Hochspannung bestimmt werden (wobei statt R₁ aus der Fig. 4 R_M einzusetzen ist). Um eine hohe Ge nauigkeit zu erreichen, wird man den die Absolutwertbestim mung im Nenner der Formel 2 eingehenden Kosinus der Phasen verschiebung Phi (Fig. 5) berücksichtigen:

Dies erfolgt beispielsweise dadurch, daß eine Periode und die Phasenverschiebung durch einen hochgetakteten Zähler (mit bei spielsweise 2 MHz) gezählt und die Zählergebnisse ins Verhält nis gesetzt sowie der Kosinus bestimmt wird. Praktisch kann dies dadurch erfolgen, daß während der ersten Periode (Fig. 5) der Zähler in eine Richtung, beispielsweise abwärts zählt, bei Beendigung der ersten Periode, gleichzeitig mit dem Um schalten des Schalters 10 der Zähler umgeschaltet wird und von seinem erreichten Wert (der festgehalten wird) in der an deren Richtung, also hier wieder hoch zählt. Beim Nulldurch gang der durch Quadrate gekennzeichneten Spannungskurve ge hen auch die Zählwerte wieder durch Null und beim Nulldurch gang der tatsächlichen (durchgezeichneten Kurve) wird ein Wert erreicht (im Verhältnis zum Zählwert über die erste Pe riode multipliziert mit 360° gerade dem Phasenwinkel Phi ent spricht).

Während grundsätzlich Momentanspannungsmessungen durchgeführt werden können, die vorzugsweise bei Erreichen des Maximums der jeweiligen Periode erfolgen, wird in bevorzugter Ausge staltung der Effektivwert während der Meßperioden (erste und dritte Periode) ermittelt, indem über eine Meßperiode wieder holt der Momentanspannungswert gemessen, quadriert, die Span nungswerte aufaddiert und die Zahl der Meßpunkte geteilt wer den. Die Anzahl der Meßpunkte ist von der gewünschten Genauig keit abhängig.

Claims

1. Verfahren zum Messen einer Hochspannung, dadurch gekenn zeichnet, daß durch die Hochspannung bedingte Ströme durch zwei Widerstandsketten gemessen werden, deren Widerstands elemente sich um ein Widerstandselement mit bekanntem Widerstandswert unterscheiden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen innerhalb kurzer Zeiten zeitlich nach einander gemessen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur einen Messung das Widerstandselement mit bekanntem Widerstandswert in die Messung eingeschaltet und zur anderen Messung das Widerstandselement überbrückt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß eine erste Spannungsmessung während oder über eine erste Periode erfolgt, und in einer wei teren Periode diese weitere Spannungsmessung bei verän dertem Widerstand der Meßhelle erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung zur definierten Veränderung am Ende der ersten Periode erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich net, daß die weitere Messung während oder über die über nächste Periode erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß sich ergebende Phasenverschiebung der Spannungen bei in die Widerstandswerte eines geschalteten bzw. nicht geschalteten Widerstandselement mit bekanntem Wert bestimmt und bei der Spannungsbestimmung berücksich tigt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß während einer ersten Periode mit hoher Taktzahl in eine Richtung gezählt wird, der am Ende der Periode erhalte ne Wert festgehalten wird, beim Nulldurchgang der Span nung - gleichzeitig mit dem Umschalten des Schalters - gegensinnig bis zum Ende der nächsten Periode nächster gleichsinniger Nulldurchgang gezählt wird und durch Quo tientenbildung beider Zählwerte sowie Multiplikation mit 360° die Phasenverschiebung bestimmt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Messungen in sehr kurzen Zeitabständen gegen über Perioden einer zu messenden Wechselspannung durch geführt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung im Bereich eines Maximums der Spannung er folgt.

11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Ströme durch zwei parallel angeordnete Meßketten gemessen werden.

12. Verfahren zum Messen einer Hochspannung, dadurch gekenn zeichnet, daß die Hochspannung über zwei Meßwiderstände gemessen wird, die jeweils in zwei parallel zueinan der angeordneten Widerstandsketten vorgesehen sind, deren Widerstandselemente sich um ein Widerstandsele ment mit bekanntem Widerstandswert unterscheiden, wobei die Impedanzen der Meßwiderstände klein gegenüber der Gesamtimpedanz der jeweiligen Widerstandskette sind.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Effektivwerte bestimmt werden.

14. Vorrichtung zur Hochspannungsmessung, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen Hochspannung (1) und Erde (2) zwei Widerstände unterschiedlicher Größe schaltbar sind, die sich durch Widerstandswerte (R_D) bekannter Größe unterscheiden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Widerstände unterschiedlicher Größe dadurch schaltbar sind, daß in einer Widerstandskette (3a) ein Widerstandselement (R_D) bekannten Widerstands werts angeordnet ist, das durch einen Schalter (10) überbrückbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (10) ein elektronischer Schalter ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, gekenn zeichnet durch eine Einrichtung zur Bestimmung eines charakteristischen Werts (Nulldurchgang, Extremum) einer zu messenden Wechselspannung und gegebenenfalls einer vorzugsweise einstellbaren Verzögerungsschaltung zur Verzögerung der Messungen zur Bestimmung der Hoch spannung.

18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Hochspannung (1) und Erde (2) parallel zueinander zwei Widerstandsmeßketten angeordnet sind, die sich durch Widerstandselemente mit einem bekannten Widerstandswert unterscheiden.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwiderstandsketten eng nebeneinander in Form einer Doppelwendel auf einem zylindrischen Träger an geordnet sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekenn zeichnet, daß die Widerstandsmeßketten aus ohmschen Widerstandselementen bestehen.

21. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekenn zeichnet, daß die Widerstandsmeßketten bis auf das be kannte, sie unterscheidende Widerstandselement (R_D) aus kapazitiven Widerständen bestehen.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß in beiden Widerstandsmeßketten Strom meßeinrichtungen vorgesehen sind.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß in beiden Widerstandsmeßketten iden tische Meßwiderstandselemente (R₁) in Reihe angeordnet sind, die einen gegenüber der Gesamtimpedanz jeder Meß kette geringen Widerstand aufweisen und daß eine Meßkette geringen Widerstand aufweisen und daß eine Anordnung zum Spannungsabgriff über diesen Meßwiderständen (R₁) vorgesehen ist.