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Schaltungsanordnung zur Prüfung auf Durchschlagsfestigkeit von Isolierstoffen,
Kabeln usw. Für die Prüfung der Durchschlagsfestigkeit von Isolierstoffen, Hochspannungsapparaturen
usw. ist die Messung der Scheitelspannung einer Spannungskurve von Wichtigkeit.
Wie bekannt, hat die :Methode der Spannungsbestinnnung mittels Funkenschlagweite
verschiedene Nachteile. Vor allem ist bei dein Gebrauch einer Meßfunkenstärke die
Frage ungeklärt, ob die Funkenpotentiale überhaupt als Maß für die
Scheitelspannung
betrachtet werden können und ob sie von der Frequenz unabhängig sind. Für die Zwecke
der Hochspannungsprüfung muß aber eine einwandfreie Spannungsmessung eine Methode
zur Grundlage haben, bei welcher die Angaben des Indikators im Meßkreis von der
Frequenz und Kurvenf6rm unabhängig sind. Ein weiteres Verfahren zur Messung der
Scheitelspannung ist von S h a r p und D o g 1 e angegeben worden, das prinzipiell
einwandfrei ist. Fach deren Schaltungsanordnung ist ein Röhrengleichrichter mit
einem Elektrometer in Reihe geschaltet, das sich nach Ablauf .°-iniaer Perioden
auf den Scheitelwert der Spannung auflädt. Das Instrument zeigt dann den Wert der
Scheitelspannung unabhängig von der Frequenz und Kurvenform an. Das Verfahren hat
aber den Nachteil, daß der Isolationswiderstand des Elektrometers gegenüber dem
Röhrenwiderstand sorgfältig durchgeführt sein muß, da sonst durch Ableitung die
Ladung und damit die Genauigkeit der Messung verloren geht. Auch wenn, tun die Meßgenauigkeit
zu erhöhen, statt des Elektrometers ein Kondensator voll o,5-, bis i Mf aufgeladen
und über ein ballistisches Galvanometer entladen wird, müssen doch bei der Messung
alle mit den geladenen Kondensatoren in Verbindung stehenden Teile hoch isoliert
werden.
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Es ist weiter ein Verfahren zur Bestiminung des Scheitelwertes einer
Spannung mittels Dreielektrodenröhren bekannt, bei dem als Grundlage für die Messung
die Charakteristik der Röhre, also die Abhängigkeit des Anodenstromes la von der
Gitterspannung E°, dient. Der gesamte Elektrodenstrom ist dann durch die Gleichung
bestimmt, wobei das elektrostatische Feld innerhalb der Röhre sich aus dem Gitter-
und Anodenfeld zusammensetzt. Das entwickelte Verfahren ist ein Substitutionsverfahren
und arbeitet im Nullpunkt der Kennlinie, also mit Anodenstrom 11u11. Es setzt voraus,
daß der Durchgriff der Röhre im Nullpunkt konstant bleibt.
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Jede Methode, die im Nullpunkt der Kennlinie arbeitet, hat aber den
Nachteil, daß ein \Tullpunkt der Charakteristik im strengen Sinne nicht besteht;sonderli
nur ein Minimum des Stromes. Die Charakteristik ist im Anfang gekrümmt, so daß der
untere Teil, auf dem gearbeitet wird, nur durch eine quadratische oder andere Funktion
höherer Ordnung darstellbar ist. Der Durchgriff verliert also auf der Nullinie seine
Definition, da hier unscharfe Punkte erhalten werden, und die Methode ist für einwandfreie
Messungen nicht geeignet. Für eine brauchbare Meßmethode mittels Durchgriffs ist
vielmehr erforderlich, daß dieser an einer möglichst steilen Stelle der Charakteristik
liegt.
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Das Prinzip der Durchschlagsfestigkeitsprüfung gemäß der Erfindung
besteht nun in folgendem: Wie bekannt, wird besonders für genaue Messungen das Kompensationsverfahren
benutzt. Die Schaltanordnung gemäß der Erfindung besteht nun darin, daß ein Ventil-,
Ein- oder Mehrfachgitterrohr als Indikatorkreis elektrisch mit einem Ventilprüfkreis
gekoppellt ist, und das im Indikatorkreis das Anodenfeld der Röhre unmittelbar oder
durch das Gitterfeld mittelbar kompensiert wird, wobei die Kompensationsspannung
einem Widerstand als Potentiometer entnommen wird, der gleichzeitig dem Prüf- und
Indikatorkreis angehört.
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In den Abb. i bis 3 sind einige beispielsweise Schaltanordnungen gemäß
der Erfindung schematisch dargestellt. Abb. i zeigt im Prinzip die Schaltanordnung
für zwei Ventilröhren als Prüf- und Indikatorkreis, Abb. a stellt gleichfalls im
Prinzip eine an sich bekannte graphische Methode dar, um mittels derKompensationsmeßeinrichtung
beispielsweise den Scheitelwert einer Spannung zu bestimmen. Abb. 3 gibt dieselbe
Anordnung für eine Ventil- und eine Dreielektr odenröhre.
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In Abb. i bezeichnen V, und V2 beispielsweise zwei Glühventile, G
ein kochempfindliches Galvanometer und E ein zweckentsprechendes Elektrometer. C
ist ein Kondensator, der über das Ventil V2 beispielsweise auf die Durchbruchsspannung
des zu prüfenden und zu C parallel geschalteten Isolators I aufgeladen wird. R bezeichnet
einen reellen oder komplexen Kompensationswiderstand, der parallel zu C liegt und
die Spannung des Kondensators als Potentiometer zu unterteilen gestattet. Die beiden
Ventilstromkreise V, und L', liegen über eine Sekundär-bzw. über die ihr etwa gleiche
Tertiärwicklung (2 bzw.3) parallel all derselben Wechselspannungsquelle Il,', die
nieder- oder hochfrequent sein kann. Sie sind durch den Kompensations«viderstandR
miteinander elektrisch gekoppelt.
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Die Bestimmung der eingestellten Durchliruclisspannung des Isolators
I erfolgt null folgendermaßen Die Scheitelspannung der Wechselstromquelle TI', die
mit der Durchbruchsspannung am Kondensator C identisch ist, wird imVentilstromkreis
V mittels des Kompensationswiderstandes R kompensiert, wobei etwa der Gleichrichter
bzw. Kompensationswiderstand
so eingestellt sind, daß die am Widerstand
abgegriffene Spannung den Sättigungsstrom im Gleichrichter ergibt. Zu diesem Zweck
wird die über denKompensationswiderstan(1R regelbare Gleichspannung von C mit ihrem
positiven Pol all die Glühkathode von h, geschaltet, so daß sie der positiven Halbwelle
der Stromquelle TI', die über die Tertiärwicklung 3 all der Anode von V, liegt und
die vom Ventil V, durchgelassen wird, im Ventilstromkreis entgegengerichtet ist.
Es ist ersichtlich, daß durch das Galvanometer G im Ventilkreis T', pulsierender
Gleichstrom fließt, dessen Größe durch die Röhrenheizung, die Charakteristik der
Röhre und die Größe der für einen bestimmten Fall konstanten Prüfspannung bestimmt
ist. Die Kompensationsspannung ist 'Null, sobald der negative Pol der Tertiärwicklung
mittels des Abgreifkontaktes K an den positiven Pol des Kompensationswiderstandes
R geschaltet wird, an der Kathode von V, also die Kompensationsspannung Null liegt.
In diesem Falle wird durch das Galvanometer G der Sättigungsstrom fließen, der zur
Durchbruchsspannung gehört. Die Kompensationsspannung wird aber gleich der Durchbruchsspannung,
wenn die Kathode und Anode dieselbe positive Scheitelspannung besitzen, die Tertiärwicklung
also mittels des Kontaktes K an den negativen Pol des Kompensationswiderstandes
geschaltet wird. Der Ventilkreis V, wird dann stromlos, da die Gleichspannung am
Kondensator C im Ventilkreis h_ und damit die Kompensationsspannung voll R all T',
gleich der Scheitelspannung der Wechselstromquelle U' all V, ist. Die Zwischenwerte
E;, der Kompensationsspannung werden beispielsweise mittels des Elektrometers E
abgelesen. Wird demgemäß nach Abb. 2 die Gleichspannung En
des honipensationswiderstandes
R für h.- i, 2 usw. als Abszisse und die Stromstärke im Galvanometer G als Ordinate
in Kurvenform aufgetragen, so wird der Schnittpunkt der Kurve mit der Abszissen
achse für I"=:0 die Scheitelspannung der Wechselstroniquelle liefern, bei welcher
etwa der Isolator durchschlagen würde.
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Ahb. 3 zeigt eine Ausführungsform gemäß der Erfindung, bei welcher
der Ventilkreis lnit einer DreielektrodenröhreR, gekoppelt ist. Das prinzipielle
dieser Schaltanordnung besieht ili folgendem: Für jede Anodenspannung gibt es, unabhängig
von ihrer Hölle, ein negatives Gitterpotential, (las den Anodenstrom bis an die
steilste Stelle der Charakteristik bringt, w o entsprechend der großen Steilheit
der Kennlinie der Durchgriff konstant ist. Bei einer höheren Anodenspannung verschiebt
sich wieder die Charakteristik parallel mit sich selbst ins negative Gebiet der
Gitterspanliung. so daß auch für solche Anodenspannungen eine entsprechende Gitterspannung
besteht, welche zu demselben Anodenstrom führt und zu demselben Durchgriff gehört.
Die Definition und der Wert des Durchgriff s bleibt also bei konstantem Anodenstrom
bestehen. Es ist daher möglich, mittels der Verschiebung des Anfangspunktes der
Charakteristik gegenüber dem Nullpunkt und aus der bekannten Beziehung zwischen
der Anodenspannung, der ihr zugeordneten Gitterspannung und dem bekannten Durchgriff
unmittelbar die Gitterspannung als Ma.8 für die Anodenspannung zu wählen.
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In Abb. 3 bezeichnet V= ein Ventil und R, eine Dreielektrodenröhre_
In dem Ventilstromkreis V, liegt, wie bereits in Abb. r dargelegt, der Kondensator
C, der über das Velitil h= auf die Durchbruchsspannung aufgeladen wird, und parallel
zu ihm der zu prüfende Isolator 1. R bezeichnet wieder den gemeinsamen Kompensationswiderstand,
an dem für den Röhrenstromkreis R; die erforderliche Anoden- und Gitterspannung
abgegriffen wird. Die Anodenspannung kann auch über S, (punktiert gezeichnet) unmittelbar
an die Röhre R, geschaltet und dann nur noch die Gitterspannung all R abgegriffen
iverdeti. In dem Anodenkreis von T', liegt ein kochempfindliches Galvanometer G
und in dem Gitterkreis ein entsprechendes statischesVoltineLer E.
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Die Bestimmung der an C eingestellten Durchbruchsspannung des Isolators
erfolgt llun folgendermaßen: In den Verstärkerstromkreis R, wird all den Spannungsteiler
R mittels des Abgreifkontaktes K, eine kleinere meßbare Anodenspannung E", und mittels
des Angreifkontaktes K@ die zugehörige Gitterspaiinutig E". eingestellt, für welche
der Anodenstrom seinen Wert an der steilsten Stelle (ler Charakteristik annimmt.
Dann besteht die Gleichung
Sodann wird der Abgreifkontakt K, all den positiven Pol von R geschaltet, und der
Abrreifl:olitalct K= so lange verschoben, bis der Strom I" wieder denselben Wert
annimmt, also die Gleichtirl-z besteht
Aus beiden Gleichungen folgt
Die Zwischenwerte der Gitterspannung sind am Elektrometer E abgeleseli, dessen
Angaben
den betreffenden Teilbeträgen der Scheitelspannung entsprechen. Da in beiden Gleichungen
der Durchgriff D seinen konstanten Wert behält, so ist ihre Gleichsetzung möglich,
und für die Scheitelspannung Ex folgt der Wert Ex - Es, -j- Eb
, .
Wird eine Mehrfachgitterröhre benutzt, so ändert sich an der prinzipiellen
Schaltung nichts. Für das "Zerstreuungsgitter beispielsweise kann die Spannung zur
Beseitigung des Raumfadeeffektes gleichzeitig dem Widerstand R entnommen werden.
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Es ist auch möglich, die Scheitelspannung an einem Teilbetrage des
Kompensationswiderstandes zu messen und so Gitterröhren geringer Leistung zu verwenden.
Der Scheitelwert wird dann aus dein Verhältnis der Unterteilung des Kompensationswiderstandes
berechnet.
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Ebenso kann auch mittels einer der bekannten Schaltungen in Wechselspannung
auf eine mehrfache Gleichspannung transformiert werden, wenn es darauf ankommt,
Gleichspannungen für Prüfzwecke herzustellen, welche die Wechselspannung um das
mehrfache übertreffen sollen. Eine solche Aufgabe liegt beispielsweise vor, wenn
bei außergewöhnlicher Höhe der Wechselprüfspannung, die (las Dreifache der Betriebsspannung
sein kann, die Prüfung mittels Wechselstroms zu einer dauernden Schädigung der Isolation,
beispielsweise bei Isolationsmaterialien, führen könnte.
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Mit dieser Schaltanordnung und bei genauem geradlinigen Verlauf der
Stromspannungskurve ist ein für die Praxis einfaches und einwandfreies Verfahren
zur Bestimmung des Scheitelfaktors erhalten. Die Methode gestattet aber auch die
Spannung von Sprungwellen und von nicht quasistationären Vorgängen zu messen. Die
Konstanz des Heizstromes kann für den ganzen Verlauf der Messung gewährt werden.
Da der Durchgriff bei den Gitterröhren in weiten Grenzen vom Heizstrom unabhängig
ist, so ist auch bei höherem Heizstrom eine genaue Berechnung (leg Anodenspannung
möglich. Der Spanmingsbereich, in dein die Messungen ausgeführt «-erden können,
ist tuir begrenzt durch die Spannung, die über die Röhre überschlägt oder bei Dreielelctrodenröhren
durch eine so hohe Gitterspannung, daß dadurch der Faden in Gefahr kommt, zu zerreißen.
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Beide Schaltanordnungen haben den Vorteil, daß sie mit einem hochempfindlichen
Instrument arbeiten, und daß sie unabhängig von der Frequenz der Spannungskurve
und der Röhre sind, sobald im Meßkreis die Gleichspannung gleich der maximalen Seheitelspannung
ist. Sie hängen infolgedessen nur von der Empfindlichkeit des Galvanometers und
der Güte des Gleichspannungvoltmeters ab, mittels dessen die Kompensations-und damit
die Durchbruchsspannung gemessen wird.