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Anordnung zur Messung der Kapazität und der dielektrischen Verluste
von geerdeten Prüflingen, insbesondere bei Hochspannung Zur Messung der Kapazität
und der dielektrischen Verluste von geerdeten Prüflingen ist bereits eine Kompensationsschaltung
bekanntgeworden, bei welcher ein an der Spannung des Prüflings (Bezugsspannung)
liegender Vergleichskondens ator und eine Hochspannungsgegeninduktivität verwendet
wird, deren Primärwicklung vom Strom des Prüflings durchflossen wird. Bei dieser
bekannten Kompensationsschaltung wird die Abgleichung durch einen Regelwiderstand
und durch eine veränderliche Niederspannungsgegeninduk tivität bewirkt, die im Stromkr,eis
des Vergleichskondensators liegen. Ungünstig bei dieser Anordnung ist, daß der Verlustfaktor
des Prüflings nicht unmittelbar abgelesen werden kann, sondern aus den veränderlichen
Größen des Regelwiderstandes und der Niederspannungsgegeninduktivität für jeden
Meßpunkt berechnet werden muß. Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnung bei
steht darin, daß Niederspannungsgegeninduktivitäten, wie sie hier benötigt werden,
sehr teuer sind, wenn sie, was mit Rücksicht auf die Meßgenauigkeit notwendig ist,
fehlwinkelfrei gemacht werden; außerdem werden sie leicht durch magnetische Störfelder,
mit denen man bei Messungen in Prüffeldern und in
den Schalthäusern
von elektrischen Anlagen immer rechnen muß, beeinflußt und fälschen dadurch die
Messung.
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Gemäß der Erfindung, die ebenfalls eine Kompensationsschaltung mit
einem Vergleichskondensator und einer Hochspannungsgegeninduktivität benutzt, werden
diese Nachteile dadurch vermieden, daß die Sekundärwicklung der Hochspannungsgegeninduktivität
durch einen Widerstand belastet ist und daß der Spannungsabfall an einem veränderlichen
Teil dieses Widerstandes über ein Nullinstrument durch zwei senkrecht aufeinander
stehende Spannungen kompensiert wird, die aus dem Stromkreis des Vergleichskondensators
abgeleitet werden und von denen die eine mit der Bezugs-(hoch-)sp,annung phasengleich
ist oder eine definierte Phasenlänge zu ihr hat und von denen mindestens eine regulierbar
ist. Die Anordnung gemäß der Erfindung ermöglicht eine solche Ausbildung, daß der
Verlustfaktor und die Kapazität an je einer Skala unmittelbar abgelesen werden können.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die an dem Sekundärkreis der Hoch spannungsgegeninduktivität
abgegriffene Spannung kompensiert wird durch die Spannung eines mit dem Vergleichskondensator
in Reihe geschalteten Kondensators und durch den Spannungsabfall eines (fehlwinkelfreien)
Widerstandes, der von dem Strom des Vergleichskondensators durchflossen wird. Denn
dann werden an Stelle der regelbaren Niederspan'-nungsgegeninduktivität der bekannten
Anordnung nur Widerstände und Kondensatoren, also Schaltelemente, benutzt, die nicht
in dem Maß wie Gegeninduktivitäten mit hohen Windungszahlen durch magnetische Störfelder
beeinflußt werden. Da die Abgleichung der Kompensationsschaltung an Schleifwiderständen
(Schleifdrähten) vorgenommen werden kann, ist es ohne Schwierigkeiten möglich, die
Anordnung selbstabgleichend auszuführen.
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Gegenüber der zur Messung der Kapazitäten und der dielektnschen Verluste
von Prüflingen bekanntgewordenen Scheringbrücke, die gegebenenfalls im Stromkreis
des Vergleichskondensators einen komplexen Kompensator aufweisen kann, hat die Anordnung
gemäß der Erfindung den Vorteil, daß der Prüfling nicht von Erde isoliert zu sein
braucht, d. h. also, daß auch einseitig geerdete Prüflinge, z. B. im Erdboden verlegte
Hochspannungskabel, mit ihr geprüft werden können. Es ist zwar schon bekauntgewesen,
die Scheringbrücke auch zur Messung der Kapazität und der dielektrischen Verluste
von geerdeten Prüflingen verwendbar zu machen, indem sie sozusagen auf den Kopf
gestellt wird, d. h. indem die Hochspannung an den Punkt gelegt wird, an dem bisher
die Erde lag, und der gegenüberliegende Diagonalpunkt der Brücke, der bisher an
der Hochspannung lag, geerdet wird. Diese Abwandlung der Scheringbrücke hat aber
den Nachteil, daß der Vergleichskondensator für die volle Prüfspannung vom Erdboden
durch Hochspannungsstützer isoliert aufgestellt werden muß und die Regelwiderstände
und Regelkondensatoren in einen auf dem Potential der vollen Prüfspannung befindlichen
Faraday-Käfig eingebaut werden müssen. Dann muß entweder der Beobachter in diesem
auf Hoch,spannungspotential befindlichen Käfig untergebracht sein, oder es müssen
sämtliche zu regelnden Organe der Meßbrücke mittels langer Isoliergriffe, die die
volle Prüfspannung aushalten müssen, be tätigt werden. Bei einer anderen bekannten
Abwandlung der Scheringbrücke wird der eine von den beiden Diagonalpunkten, zwiw
schen denen das Brückengalvanometer liegt, geerdet. Man kann zwar auf diese Weise
auch einseitig geerdete Prüfobjekte messen, ohne daß die Meßapparatur und der Beobachter
auf Hochspannung gebracht werden müssen, es ergibt sich jedoch der Nachteil, daß
nicht mehr die Kapazität und der Verlustwinkel des Prüflings allein gemessen werden,
sondern es geht auch die Verlustkapazität der Zuleitung zwischen Prüftransformator
und Prüfobj ekt sowie die verteilte Erdkapazität der Hochspannungswicklung des Prüftransformators
und deren Verlustwinkel in die Messung mit ein, da bei dieser Anordnung diese Verlustkapazitäten
parallel zu dem Prüfobjekt in der Brücke liegen. Dies hat zur Folge, daß zusätzliche
Messungen der Verlustkapazitäten allein durchgeführt werden müssen und daß aus dern
Vergleich dieser zusätzlichen Messungen mit der ersten Messung die Kapazität und
der Verlustfaktor des Prüfobjektes erst durch Rechnung ermittelt werden können.
Auch diese bekannte Anordnung hat also wesentliche Nachteile gegenüber der Anordnung
ge mäß der Erfindung.
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Ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung gemäß der Erfindung ist
in der Abb. I schaltungsmäßig dargestellt. Mit K ist der Prüfl,ing (eine Kapazität)
bezeichnet, die in Reihe mit der Primärwicklung 1 einer Hochspannungsgegeninduktivität
M zwischen Erde E und den Hochspannung,sanschluß A geschaltet ist. Mit C2 ist der
Vergleichshochspannungskondensator bezeichnet. F ist ein Feinspannungsableiter,
der bei einem etwaigen Durchschlag des Hochspannungskondensators C2 die Meßanordnung
gegen Be schädigung schützen soll. Mit G ist eine geerdete elektrostatische Abschirmung
bezeichnet, welche Hochspannungsstreulinien von der auf N iederspannungspotential
befindlichen Meßeinrichtung fernhält. Man kann in das
Dielektrikum
zwischen der Primärwicklung 1 und der Sekundärwicklung II der Hochspannungsgegeninduktivität
M auch Kondensatoreinlagen zur Feldsteuerung einbauen. Es ist mit den heutigen Mitteln
dann möglich, das Dielektrikum einer solchen Kondensatordurchführung so auszugestalten,
daß der Verlustfaktor in einem weiten Spannungsbereich völlig konstant ist. Man
kann daher eine Kondensatoreinlage herausführen und ihre Kapazität gegen den Hochspannungsbelag
an Stelle des Vergleichskondensators C2 benutzen. Die Sekundärwicklung II der Hochspannungsgegeninduktivität
M ist durch einen Widerstand R1 belastet. Dieser Widerstand besteht beispielsweise
aus einem Schleifdraht, der in Reihe mit einem angezapften Widerstand geschaltet
ist. In Reihe mit dem Vergleichshochspannungskondensator C2 ist zwischen die Klemme
A und E ein Niederspannungskondensator C4 und ein winkelfreier Widerstand R4 gelegt.
Der Widerstand R4 setzt sich aus einem Schleifdraht und einem angezapften Widerstand
zusammen.
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Die Wirkungsweise der in Abb. I darge stellten Einrichtung ist folgende:
Die Hochspannung U wird in dem Punkt A an die Meßschaltung angelegt. Der vom PrüflingK
aufgenommene Strom JIC durchfließt die Primärwicklung I der Hochspannungsgegeninduktivität
M und erzeugt in der Sekundärwicklung II eine elektromotorische Kraft, die um go0
gegen J1C phasenverschoben ist.
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Schließt man die Sekundärwicklung II über den Widerstand R1, so fließt
durch diese ein Strom, der um den Winkel gol°'+£ gegen den Primärstrom JK verschoben
ist. Die durch die Belastung der Gegeninduktivität hervorgerufene Abweichung von
8 von der erwünschten 9oo Phasenverschiebung zwischen JK und i1 kann man durch geeignete
Bemessung der Schaltungsteile so klein halten, daß der Winkelfehler 8 in vielen
Fällen nicht stört. Durch Einfügen eines Widerstandes R mit parallel geschaltetem
Kondensator c, wie dies in der Teilzeichnung der Abb. 2 dargestellt ist, oder eines
Zusatzkondensators c allein gemäß Abb. 3 der Teilskizze ist es außerdem möglich,
den Fehlwinkel 8 auf o abzugleichen, so daß die Phasenverschiebung zwischen der
an dem Teil s des reinen Widerstandes R1 abgegriffenen Spannung u1 und dem Primärstrom
JK genau 90;6 beträgt. Die Hochspannung U treibt, wie aus demVektordiagramm der
Abb. 4 ersichtlich ist, durch den verlustfreien Vergleichshochspannungskondensator
C2, den Nie derspannungskondensator C4 und den winkelfreien Widerstand R4 den Strom
J2 welcher bei den für Hochspannungsmessungen gebräuchlichen Werten für C2, C4 und
R4 gegenüber der Bezugsspannung U um genau go° vorauseilt. Infolgedessen steht der
an dem Teil r des Widerstandes R4 abgegriffene Splannungisabfall J2 r genau senkrecht
zu U. Weil (R4. w. c4)2 sehr viel kleiner als 1 ist, liegt die zwischen den Punkten
B und E auftretende Spannung u = J2 # . C4 genau in Phase mit der Hochspannung U.
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Wenn man durch Regeln der Widerstandsteile s und r das Nullinstrument
VG stromlos macht, so ist der gesuchte Verlustfaktor des Prüflings K gegeben durch
tg#K = v . # . C4.
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Wenn man die Kapazität C4 und die Kreisfrequenz m konstant hält, ist
der Verlust--faktor tg8K dem Widerstand r proportional und kann infolgedessen unmittelbar
an einer an dem Widerstand r angebrachten Skala abgelesen werden. Es kann aber auch
der Niederspannungskondensator C4 regelbar gemacht und der Wert r konstant gehalten
werden.
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Man kann aber auch beide Brückenelemente regeln. Die Größe der Kapazität
des Prüflings K kann auf Grund der Widerstandseinstellung s an dem Widerstand R1
aus den Konstanten der Hochspannungsgegeninduktivität und der Brüdoe-nelemente berechnet
werF den, so daß man an dem Widerstand 14 eine entsprechende Skala für die Widerstandseinstellung
s und damit für die Größe der Kapazität des Prüflings anbringen kann.
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Durch Vergleich mit bekannten Kapazitäten kann jedoch die Kapazitätsteilung
der Skala bei S auch empirisch ermittelt werden.
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Da der Fehlwinkel e zwischen dem Primärstrom JK und dem Sekundärstrom
i2 der Hochspannungsgegeninduktivität M von dem Widerstand ihres Sekundärkreises
abhängt und da dieser Widerstand sich bei Verwendung von Kupferdraht für die Sekundärwicklung
II und für die Zuleitung mit der Temperatur erheblich ändert, sieht man zweckmäßig
eine Temperaturkompensation vor, indem man den Widerstand R1 beispielsweilse aus
Manganindraht hiers,telllt und ihn mindestens zehnmal so groß als den Kupferwiderstand
der Sekundärwicklung II und der Zuleitungen wählt.
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Da zur Abgleichung der Schaltung lediglich Regelwiderstände entsprechend
eingestellt zu werden brauchen, ist es ohne Schwierigkeiten möglich, die Kompensation,sschaltung
in an sich bekannter Weise selbstabgleichend auszuführen. Auch können leicht Schreibgeräte
vorgesehen werden, welche die gemessenen Werte der Kapazität und des Verlustfaktors
in an sich bekannter Weise aufzeichnen. Und zwar kann die Anordnung so getroffen
sein, daß die dem Verlustfaktor und der Kapazität des Prüflings proportionalen Werte
der Abgleichelemente durch schreibende Geräte abhängig von der Prüfspannung oder
während einer für die Prüfung
vorgesehenen Zeitspanne abhängig von
der Prüfdauer unter Beibehaltung der Höhe der Prüfspannung aufgezeichnet werden.