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Anordnung zum Messen hoher Spannungen mit einem als Spannungsteiler
oder Vorwiderstand dienenden, in einer mit flüssigem Isoliermittel gefüllten Isolierhülle
angeordneten Meßwiderstand Es bereitet bei Messungen von Hochspannungen mit Hilfe
eines Vorwiderstandes oder Spannungsteilers, der in einer mit flüssigem Isoliermittel
gefüllten Isolierhülle angeordnet ist, Schwierigkeiten, über den Meßbereich stets
Phasengleichheit zwischen der an dem Spannungsmeßgerät liegenden Teilspannung und
der Gesamtspannung sowie eine stets gleichbleibende Aufteilung der Gesamtspannung
auf -das Spannungsmeßgerät und den diesem vorgeschalteten Widerstand zu erreichen.
Die auftretenden Störungen haben zum Teil ihren Grund in Sprühströmen und in unerwünschten
Kapazitäten der Widerstandsteile gegeneinander oder gegen sonst benachbarte Teile.
Man hat vorgeschlagen, den gegebenenfalls in bekannter Weise aus einzelnen Teilwiderständen
aufgebauten Meßwiderstand zur Beseitigung dieser Störungen innerhalb eines Potentialkäfigs
anzuordnen, um so den Meßwiderstand vollständig kapazitäts= und induktionsfrei zu
machen. Indes läßt sich das hinreichend genau nur durch eine vollständige Umhüllung
des Meßwiderstandes bzw. der ihn bildenden Leiterteile mit einem Potentialkäfig
erzielen, der genau das gleiche Potentialgefälle besitzt wie der Meßwiderstand,
so daß einander benachbarte Teile des Meßwiderstandes und des Potentialkäfigs genau
das gleichePotential besitzen.
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Diese Anordnung ist in Fällen, in denen nur sehr geringe Stromstärken,
wie z. B. in Röntgenanlagen, zur Verfügung stehen, nicht mehr verwendbar. Das hat
seinen Grund darin, daß sich der Potentialkäfig mit genügender Genauigkeit nur ausbilden
läßt, wenn sein Widerstand kleiner ist als der des eigentlichen Meßwiderstandes.
Das ist aber im allgemeinen unzulässig, weil in den meisten Fällen eine so starke
Belastung durch die Meßanordnung nicht möglich ist. Wenn man aber den Potentialkäfig
zur Verringerung seines Widerstandes iri Gestalt einer hauchdünnen, die Leiterteile
des Meßwiderstandes vollständig umschließenden Leiterschicht herstellt, so lassen
sich Ungenauigkeiten nicht vermeiden, die eine von der Potentialverteilung des Meßwiderstandes
abweichende Potentialverteilung ergeben würden.
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Die erwähnten Schwierigkeiten sind erfindungsgemäß dadurch beseitigt,
daß der Meßwiderstand aus Widerstandselementen wendelförmig zusammengesetzt und
diesem sowohl ein vorzugsweise ebenfalls wendelförmiger
Potentialkäfig
zugeordnet ist, dessen einzelne Teile angenähert gleiche Potentiale aufweisen wie
die benachbarten Teile des Meßwiderstandes, als auch ein kapazitiver Spannungsteiler
parallel geschaltet ist, dessen Abgriff mit dem Abgriff des Meßwiderstandes bzw.
dem Endpunkt des Vorwiderstandes verbunden ist. Der wendelförmige Aufbau des Meßwiderstandes
aus einzelnen Widerstandselementen ermöglicht, abgesehen von sonstigen Vorteilen,
eine solche Ausgestaltung des Potentialkäfigs, daß er einerseits einen genügend
großen Eigenwiderstand erhält, andererseits aber den Meßwiderstand hinreichend schützt,
d. h. die Eigenkapazität des Meßwiderstandes und seine Kapazität gegen die Umgebung
unveränderlich macht. Diese unvermeidlichen, jedoch mit Hilfe des Potentialkäfigs
unveränderlich gemachten Eigenkapazitäten werden nun durch den parallel geschalteten
kapazitiven Spannungsteiler kompensiert und damit unschädlich gemacht. Es ergibt
sich mithin durch die erwähnte Kombination eine auch zur Messung sehr hoher Spannungen
geeignete Gesamteinrichtung, die, obgleich der Potentialkäfig die einzelnen Leiterteile
des Meßwiderstandes nicht allseitig umschließt, hinsichtlich der Konstanz des Verhältnisses
der Teilspannungen und der Phasengleichheit zwischen Gesamtspannung und Teilspannung
im wesentlichen der bekannten und nur für niedrigere Spannungen in Betracht kommenden
Einrichtung entspricht, bei welcher der Meßwiderstand bzw. die den Meßwiderstand
bildenden Leiterteile allseitig von einer zweiten, den Potentialkäfig bildenden
leitenden Hülle genau gleichen Potentialgefälles umgeben sind.
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Bei dem in Abb. i dargestellten Ausführungsbeispiel sind i und :2
die Hochspannungsleitungen, zwischen denen die Spannung zu messen ist. 3 ist ein
an die volle Spannung gelegter Spannungsteiler, der aus Widerstandselementen wendelförmig
zusammengesetzt ist und sich innerhalb eines aus Isolierstoff bestehenden und mit
einem flüssigen Isoliermittel, z. B. Öl, gefüllten Behälters befindet. Für die Widerstandselemente
können die bekannten hochohrnigen Hartkohlewiderstände verwendet werden, z. B. jene
Widerstandselemente, die aus auf einen Glas- oder Porzellanstab aufgebrachten Hartkohleschichten
bestehen, die an ihren Enden in Metallkappen übergehen. Die Verbindung der Widerstandselemente
untereinander kann durch Zusammenlöten der Metallkappen erfolgen. Die neue Anordnung
des Meßwiderstandes hat, wie sich aus der Zeichnung leicht ergibt, einen sehr gedrängten
Aufbau des Widerstandes zur Folge, so daß schon hierdurch eine ungleichmäßige Erwärmung
der einzelnen Widerstandsteile infolge äußerer Einflüsse im wesentlichen ausgeschlossen
erscheint.
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Um Fremdfelder von dem Spannungsteiler fernzuhalten und Sprühströme
zu verhindern, ist der Spannungsteiler 3 innerhalb eines Potentialkäfigs angeordnet,
der so bemessen und räumlich so angeordnet ist, daß sein Potential an jedem Punkt
möglichst mit dem Potential des nächstliegenden Punktes des Spannungsteilers 3 übereinstimmt.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Potentialkäfig aus einem spiralförmigen,
auf den oder in dem Behälter 4. aufgebrachten Hartkohlestreifen 5, der an seinen
beiden Enden an die Gesamtspannung gelegt ist. Die dein Meßgerät zugeleitete Spannung
wird von dem Teil 3" des Spannungsteilers 3 abgegriffen und über die Leitungen 6
und j der eigentlichen Meßanordnung zugeleitet. Das Meßgerät ä ist mit seiner Zusatzapparatur
innerhalb eines metallischen Behälters 9 untergebracht, der vorteilhaft mit einem
geeigneten Potential der Hochspannungsanlage verbunden wird, um das Meßgerät ebenfalls
abzuschirmen. Als Meßgerät kann ein statisches Voltmeter verwendet werden. Bei io
ist der obenerwähnte kapazitive Spannungsteiler bzw. ein Teil desselben angedeutet.
Die zum Aufbau des kapazitiven Spannungsteilers verwendete Kondensatoranordnung
wird vorzugsweise gleichzeitig zum Abschirmen des Meßwiderstandes 3 mitbenutzt,
so daß sie zugleich einen Teil des Potentialkäfigs bildet. Hierzu kann z. B. die
in Abb. 2 in Einzeldarstellung veranschaulichte Kondensatoranordnung dienen. Der
Kondensator besteht aus einem Streifen io geeigneten Dielektrikums, auf dem zu beiden
Seiten gegeneinander versetzte Belegungen ioa angeordnet sind. Es handelt sich also
im Prinzip bei diesem Kondensator um eine Anzahl in Reihe liegender Teilkondensatoren.
Eine an den Gesamtkondensator gelegte Spannung verteilt sich infolgedessen in bestimmter
Abstufung auf die einzelnen Belegungen bzw. die Teilkondensatoren. Bei dem in Abb.
i dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kondensator io in dem Behälter q. in
Form einer gegen die Innenwandung des Behälters anliegenden Spirale eingesetzt.
Das eine Ende des Kondensatörs io ist mit der Hochspannungsleitung i und das andere
Ende mit der Leitung 6 verbunden. Der Kondensator besitzt daher im wesentlichen
die gleiche Potentialverteilung wie der Meßwiderstand 3 und trägt infolgedessen
zur Abschirmung des Meßwiderstandes 3 bei. Wie bekannt, muß die Kapazität des Kondensators
io so gewählt werden, daß die Kapazitäten der Meßanordnung zwischen den Punkten
äußeren Potentials und
dem dazwischenliegenden Abgriff für das Meßgerät
umgekehrt proportional den Ohmschen Widerständen sind. Um dieses Verhältnis leicht
einstellen zu können, wird vorteilhaft zum Meßgerät 8 noch ein einstellbarer Kondensator
i i parallel geschaltet. Durch Verstellung des Kondensators i i kann dann in einfacher
Weise das richtige Verhältnis der Kapazitäten eingestellt werden.
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Die neue Meßanordnung ist zum Messen von Gleich- und Wechselspannungen
geeignet und kann insbesondere mit großem Vorteil in Röntgenanlagen Verwendung finden.
Bei Röntgenanlagen will man in der Regel die Scheitelwerte der Spannung messen.
In diesem Falle findet mit Vorteil die aus der Zeichnung ersichtliche Schaltung
des Meßgerätes Anwendung, bei der zu dem statischen Voltmeter 8 ein Kondensator
14 parallel geschaltet ist, während 15 ein entsprechend der Kapazität gewählter,
parallel zum Meßgerät 8 liegender Ableitungswiderstand ist. 12 ist ein Glühkathodengleichrichter,
der in die zu dem Meßgerät' 8 führende Zuleitung 6 gelegt ist. Die Zuführung des
Heizstromes zu dem Glühkathodengleichrichter erfolgt über die Leitung 13.
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Soll statt des Scheitelwertes der Effektivwert der Spannung gemessen
werden, so kann bei Wahl eines geeigneten Meßgerätes dieses unmittelbar an den Teil
3" des Spannungsteilers angeschlossen werden, wobei der Gleichrichter i_-Y, der
Kondensator 14 und der Ableitungswiderstand 15 fortfallen.
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Statt des in Abb. 2 dargestellten Streifenkondensators io kann mit
Vorteil auch der in Abb. 3 im Schnitt in Einzeldarstellung veranschaulichte Reihenkondensator
16 verwendet werden. Dieser besteht aus einer Röhre geeigneten Dielektrikums, z.
B. Porzellan, das innen und außen mit gegeneinander versetzten Belegungen 16" versehen
ist. Dieser Kondensator kann in der Achse des wendelförmigen Widerstandes 3 angeordnet
werden. Dem Widerstand steht damit auch auf der Innenseite ein Potentialkäfig mit
angepaßtem Potentialabfall gegenüber. Das ist bei Unterbringung von Schaltungsteilen
in dem Innenraum zur Vermeidung ähnlicher Fehlerquellen notwendig, wie sie durch
das Anbringen des Außenkäfigs beseitigt werden sollen. Besonders einfach ist die
Anordnung hier dadurch, daß der innen untergebrachte Schaltungsteil, der Parallelkondensator,
selbst so ausgebildet ist, daß er wie ein Potentialkäfig wirkt. Eine derartige Ausführungsform
ist in Abb.5 im Querschnitt veranschaulicht. 3 ist der wendelförmig aus Widerstandselementen
aufgebaute Meßwiderstand, der sich in dem aus Isolierstoff bestehenden Behälter
4 befindet: In der Achse des Meßwiderstandes 3 ist der .Zusatzkondensator 16 untergebracht.
Der in Abb. i mit 5 bezeichnete Potentialkäfig ist bei dem Ausführungsbeispiel nach
Abb. 5 durch einen innerhalb des Behälters ,4 angeordneten Potentialkäfig ersetzt.
Der Aufbau dieses Potentialkäfigs ergibt sich aus der schaubildlichen Einzeldarstellung
nachAbb..l. Dabei sind 17 hochohmige Widerstände, die durch Drahtverbindungen 18
in Reihe geschaltet sind. Der Potentialkäfig 17, i8 und der Kondensator 16 werden
an die übrige Meßanordnung in gleicher Weise angeschlossen wie die entsprechenden
Teile bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. i.
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Statt die Windungen des Potentialkäfigs 17, i8 nach Form einer vierseitigen
Wendellinie zu führen, könnte man sie auch in irgendeiner anderen Weise führen,
z. B., wie in Abb. 6 dargestellt, in Form einer dreiseitigen Wendellinie. Die Ausführungsform
nach Abb. 6 stimmt im übrigen mit der nach Abb. 5 überein.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. i wird die Spannung für das
Meßgerät am Ende des Meßwiderstandes abgegriffen. Man kann selbstverständlich den
Meßwiderstand auch als V orwiderstand verwenden. Weiterhin kann aber auch die für
das Meßgerät abzugreifende Spannung von dem mittleren Teil des Meßwiderstandes abgegriffen
werden. Von besonderem Vorteil ist es, zwei Meßwiderstände der in Abb. i veranschaulichten
Bauart in Reihe an die zu messende Gesamtspannung zu legen und den Verbindungspunkt
der beiden Meßwiderstände und das Gehäuse für die eigentliche Meßanordnung zu erden,
während die für das Meßgerät abzugreifende Spannung in der Nähe des Verbindungspunktes
der Meßwiderstände von diesen abgegriffen wird. Dieses Ausführungsbeispiel ergibt
sich aus der Ausführungsform nach Abb. i, indem zu dem dort dargestellten Meßwiderstand
3 spiegelbildlich auf der anderen Seite des Gehäuses 9 ein zweiter Meßwiderstand
gleicher Bauart angeordnet wird, der mit dem ersten Meßwiderstand in Reihe liegt.
Der Verbindungspunkt zwischen den beiden Meßwiderständen und das Gehäuse 9 werden
geerdet. Der Abgriff für das Meßgerät 8 wird vorteilhaft auf die beiden Meßwiderstände
verteilt, indem man z. B. die Leitung 7, statt sie an das Ende des Meßwiderstandes
3 anzuschließen, an den zweiten Meßwiderstand anschließt, ähnlich wie die Leitung
6 an den ersten Meßwiderstand angeschlossen ist. Die besonderen Vorteile dieser
Anordnung bestehen darin, daß das die eigentliche Meßanordnung umgebende Gehäuse
geerdet ist und deshalb auf einem Bedienungstisch o. dgl. angebracht werden kann,
während der Anschluß an die Meßwiderstände ebenso einfach bleibt wie bei dem Ausführungsbeispiel
nach Abb. i.
Es besteht bei der zuletzt beschriebenen Anordnung
die Möglichkeit, das Meßgerät 8 aus dem Gehäuse 9 herauszunehmen und das Meßgerät
unmittelbar auf einem Bedienungstisch o. dgl. anzubringen.