DE760218C - Einrichtung zum Messen einer Gleichhoechstspannung mittels einer proportionalen Niederspannung oder eines proportionalen niedriggespannten Stromes - Google Patents

Description

• Einrichtung zum Messen einer Gleichhöchstspannung mittels einer proportionalen Niederspannung oder eines proportionalen niedriggespannten Stromes Während in Wechselstromhöchstspannungsanlagen die Messung der Spannung, Leistung und Zählung der Arbeit keine besonderen Schwierigkeiten macht, weil die hohe Spannung durch Wandler auf einen für die Messung oder Zählung geeigneten Betrag herabgesetzt werden kann, stößt die Messung in Gleichstromhöchstspannungsanlagen auf große Schwierigkeiten. Bei mittleren Gleichspannungen kann man dem Meßgerät Widerstände vorschalten, die einen großen Teil der Spannung in Form des Spannungsabfalls aufzehren. Die Anwendung eines solchen Meßverfahrens auf Gleichstromhochstspannungsanlagen würde aber zu einem untragbarhohen Eigenverbrauch der Meßanordnung führen, da in denVorwiderständen erheblicheleistungen verlorengingen. Zwar sind für die Gleichstrommessung Vorrichtungen bekannt, die einen dauernd laufenden Umformer haben, der die Gleichspannung in eine niedrigere Gleichspannung oder Wechselspannung überführt.
• Diese Vorrichtungen sind aber für Gleichstromhöchstspannungsanlagen wenig geeignet, da schon die Herstellung einer von dieser Spannung erregten Magnetwicklung, die solche Vorrichtungen benötigen, größte Isolationsschwierigkeiten macht. Insbesondere lassen sich die stets gleichgerichteten Eriechströme kaum beherrschen. Bei der Strommessung in Höchstspannungsgleichstromanlagen lassen sich diese Schwierigkeiten noch verhältnismäßig leicht beherrschen, da man das Strommeßgerät auf das Höchstspannungspotential bringen und seine Anzeige beispielsweise durch Lichtzeiger auf eine Empfangseinrichtung mit niedrigem Potential übertragen kann. Hier läßt sich also mit verhältnismäß ig einfachen DvIitteln eine unmittelbare Einwirkung der in einer solchen Anlage vorhandenen hohen Potentialdifferenz auf das Meßgerät vermeiden. Sobald jedoch die Höchstspannung selbst gemessen werden muß, tritt in irgendeiner Weise an der Meßanordnung die gesamte Potentialdifferenz auf.
• Es sind auch Meßverfahren mit Verstärkeranordnungen bekannt, bei denen der Ausgangskreis außer auf ein Meßgerät auch auf das Eingangsgitter der Verstärkerröhren einwirkt (Rückführung). Solche Anordnungen wurden aber bisher nur dazu verwendet, um verhältnismäßig schwache Ströme, beispielsweise den Strom einer Fotozelle, zu verstärken.
• Für die Rückführung des Ausgangskreises auf den Eingangskreis des Verstärkers wurden dabei Widerstände verwendet. Einer dieser Widerstände muß von dem zu verstärkenden Strom durchflossen werden, um einen für die Steuerung des Gitters ausreichenden Spannungsabfall zu erzeugen. Eine solche Widerstandsverstärkung ist für die Messung von Gleichhöchstspannungen ungeeignet, weil auch schon dann, wenn auf der Hõchstspannungsseite nur ein sehr schwacher Strom durch den Widerstand fließt, das Produkt aus diesem Strom und der Gleichhöchstspannung eine sehr hohe Leistung ergibt, also zu einem hohen Eigenverbrauch der Meßanordnung führt. Außerdem ließe sich die Messung nie genau durchführen, da die Hochohmwiderstände, die für eine solche Messung erforderlich wären, erfahrungsgemäß im Laufe der Zeit starken Änderungen unterworfen sind.
• Die LIeßeinrichtung, die den Gegenstand der Erfindung bildet, macht ebenfalls von einer Verstärkeranordnung mit Rücl;führung des Ausgangskreises auf den Eingangskreis Gebrauch, trotzdem hier nicht die Aufgabe besteht, die an sich für die Messung viel zu hohe Gleichhöchstspannung noch zu verstärken, sondern gerade die umgekehrte Aufgabe, nämlich diese Spannung auf einen sehr kleinen Bruchteil ihres Wertes herabzusetzen. Die Einrichtung ersetzt die Gleichhöchstspannung durch eine proportionale Niederspannung oder einen proportionalen niedriggespannten Strom. Erfindungsgemäß steuert das statische Feld der Gleichhöchstspannung, beispielsweise durch elektrostatische Einwirkung auf einen beweglichen Teil (Schirm), eine Hilfsstromquelle, z. B. durch Einwirkung dieses Teiles auf den Strahlengang einer Fotozelle. Diese Hilfsstromquelle wirkt auf den Eingaiigskreis einer die Niederspannung oder den niedriggespannten Strom abgebenden Verstärkeranordnung ein. An den Ausgangskreis dieser Anordnung ist außer einem Meßgerät eine Kompensationseinrichtung, z. B. eine Stromwaage, angeschlossen, die die Einwirkung des statischen Gleichhöchstspannungsfeldes auszugleichen sucht und dadurch über die genannte Hilfsstromquelle eine Rückführung des Verstärkerausgangslireises auf den Eingangskreis herbeiführt. Die beiden auf den Eingangskreis der Verstärkeranordnung wirkenden Steuerungen hängen dabei in derselben gesetzmäßigen Weise von der Gleichstromhöchstspannung und der Ausgangs spannung oder dem Ausgangsstrom des Verstärkers ab.
• Am besten macht man den Verstärkungsfaktor so groß, daß schon eine geringe Differenz zwischen Steuerung und Rückführung zur vollen Aussteuerung des Verstärkers führt.
• Da auf die LIeßanordnung nur das statische Feld der Höchstspannung einwirkt und keine Wicklung oder kein Widerstand in dem Gesamtpotentialgefälle der Höchstspannungsanlage vorhanden ist, also keine magnetische oder galvanische Kopplung zwischen der Gleichhöchstspannung und dem Nleßkreis mit ihren großen Isolationsschwierigkeiten besteht, kann die Isolation in der bei elektrostatischen Höchstspannungsmeßgeräten üblichen einfachen Weise durchgeführt werden, indem man beispielsweise das elektrostatische Feld in das Innere eines Isolierkörpers verlegt oder den vom elektrostatischen Feld erfüllten Raum unter Öl setzt.
• In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele dieser Meßeinriditung dargestellt.
• Fig. I zeigt eine Einrichtung, bei welcher der Höchstspannungsleiter I über einen Hochohmwiderstand 2 an die vorzugsweise in einem evakuierten Gefäß 3 angeordnete feststehende Kondensatorplatte 4 angeschlossen ist, gegenüber der die an dem Waagebalken 5 sitzende belvegliche Platte 6 angeordnet ist.
• Diese Platte ist, wie durch 7 angedeutet, mit einem Punkt anderen Potentials, beispielsweise mit der Erde 8, verbunden. Der bei 9 gelagerte Ävaagebalken j trägt auf der anderen Seite eine Spule I0, der eine feststehende Spule gegenübersteht. An dem Waagebalken ist ferner ein Spiegel 12 angebracht. der den Strahlengang zwischen einer Strahlungsquelle 13 und einer für die betreffenden Strahlen empfindlichen Zelle 14 beeinflussen kann. Die Zelle 14 steuert einen Verstärker 15, dessen Ausgangsstrom zur Betätigung einer SIeßeinrichtung i6 dient und außerdem noch auf die Spulen 10 und ii in dem Sinne einwirkt, -daß die zwischen diesen Spulen auftretenden Kräfte den elektrostatischen Kräften zwischen den Platten 4 und 6 das Gleichgewicht halten.
• Es empfiehlt sich, die Bewegung des Waagebalkens bzw. des Teiles 6 oder 10 in irgendeiner Weise, z. B. durch Wirbelströme, zu dämpfen, um ein ruhiges Arbeiten der Meßeinrichtung zu erzielen.
• Da bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. I sowohl die elektrostatischen Kräfte proportional dem Quadrat der zu messenden Spannung als auch die elektromagnetischen Kräfte proportional dem Quadrat des durch die Spulen 10 und II hindurchgehenden Meßstromes sind, ist der Meßstrom stets der Gleichstromhöchstspannung proportional.
• An die Stelle der mit Waagebalken ausgerüsteten Waage kann auch eine Drehwaage, Federwaage oder Hebelwaage treten.
• In Fig. 2 wird zur Beeinflussung des Steuerorgans die Einwirkung des Höchstspannungsfeldes auf die Doppelbrechung geeigneter Stoffe, z. B. Nitrobenzol, ausgenutzt. Hier ist wieder 4 der an Hochspannung liegende Belag, dem eine an ein anderes Potential, beispielsweise an Erde, angeschlossene Elektrode I7 gegenübersteht. Die Elektroden und I7 sind zusammen mit einem Gitter I8 in einem beispielsweise mit Nitrobenzol gefüllten Glasgefäß 19 angeordnet: Durch den Zwischenraum zwischen der Elektrode I7 und dem Gitter I8 gehen die von der Lichtquelle I3 nach der Fotozelle 14 gesandten Lichtstrahlen. Die Fotozelle 14 steuert den Verstärker I5, an dessen Ausgangsseite einerseits das Meßgerät I6, andererseits das Gitter I8 angeschlossen ist. 20 sind Polarisationsapparate, beispielsweise Nikolsche Prismen.
• Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: Bei spannungslosem Zustand werden die Teile 20 SO eingestellt, daß die Zelle 14 kein Licht erhält und der Verstärker 15 dem Gitter I8 keine Spannung zuführt. Da das Feld durch das Gitter 18 hindurchgreift, wird in bekannter Weise die Polarisationsebene des zwischen den Teilen I7 und I8 hindurchgehenden Lichtes gedreht, die Zelle 14 wird dann beleuchtet und steuert den Verstärker I5 auf der Ausgangsseite auf eine dem Feld zwischen den Teilen 4 und I7 entsprechende Spannung bzw. Strom ein. Diese eingesteuerte Spannung wirkt nun auf das Gitter I8 derart zurück, daß die von dem Feld zwischen den Teilen 4 und I7 hervorgerufene Drehung der Polarisationsebene in dem Raum zwischen dem Gitter I8 und der Elektrode I7 ganz oder größtenteils aufgehoben wird. Das Verhältnis derAusgangsspannung des Verstärkers zu der Gleichstromhöchstspannung kann durch den Abstand des Gitters von derElektrode I7 bzw. durch den Abstand von den beiden Elektroden 4 und I7 und durch Anderung des Durchgriffes des Gitters (Maschenweite, Drahtstärke od. dgl.) nach Bedarf eingestellt werden.
• Die Erfindung bietet, abgesehen von der hohen Meßgenauigkeit, unter anderem den Vorteil, daß aus der Gleichstromhöchstspannungsleitung praktisch keine Energie für die Messung entnommen zu werden braucht. Infolgedessen ist es möglich, das Meßgerät durch vorgeschaltete Hochohmwiderstände, deren Konstanz keine Rolle spielt, gegen Eintritt nennenswerter Gleichstromenergien im Störungsfalle zu schützen. Trotzdem kann man mit derartigen Vorrichtungen beliebig große Meßenergien erhalten. Die Meßanordnung läßt sich, namentlich wenn man mit Vakuumgefäßen arbeitet, die gegebenenfalls noch in ölbehälter od. dgl. eingeschlossen sind, auf verhältnismäßig kleinem Raum unterbringen. Bei Ausführungsformen gemäß Fig. 2 kann man zudem ohne bewegliche Teile im Höchstspannungsfeld und in der Regelanordnung auskommen.
• Unter Umständen ist es vorteilhaft, bei Ausführung nach den beschriebenen Beispielen mitWechsellicht zu arbeiten, um einen in der Regel einfacheren Wechselstromverstärker bzw. eine Wechselstrommeßeinrichtung verwenden zu können. Der auf der Ausgangsseite entstehende Wechselstrom kann beispielsweise zwecks Steuerung des Gitters I8 in Fig. 2 nachträglich wieder gleichgerichtet werden.

Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Einrichtung zum Messen einer Gleichhöchstspannung mittels einer proportionalen Niederspannung oder eines proportionalen niedriggespannten Stromes unter Verwendung einer Verstärkeranordnung mit Rückführung des Ausgangskreises auf den Eingangskreis des Verstärkers, dadurch gekennzeichnet, daß das statische Feld der Gleichhöchstspannung, beispielsweise durch elektrostatische Einwirkung auf einen beweglichen Teil (Schirm 6), eine Hilfsstromquelle, z. B. durch Einwirkung der Bewegung dieses Teiles auf den Strahlengang einer Fotozelle (14), die auf den Eingangskreis einer die Niederspannung oder den niedriggespannten Strom abgebenden Verstärkeranordnung (I5) einwirkt, steuert und daß an den Ausgangskreis dieser Anordnung außer einem Meßgerät (I6) eine Kompensationseinrichtung, z. B. eine Stromwaage (IO, II), angeschlossen ist, die die Einwirkung des statischen Gleichhöchstspannungsfeldes auszugleichen sucht und dadurch über die genannte Hilfsstromquelle (14) eine Rücl;-führung des Verstärkerausgangskreises auf den Eingangskreis herbeiführt, und daß ferner die beiden (über die Hilfsstromquelle I4) auf den Eingangskreis der Verstärkeranordnung wirkenden Steuerungen in derselben gesetzmäßigen Weise von der Gleichstromhächstspannung und der Ausgangsspannung oder dem Ausgangsstrom des Verstärkers abhängen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet. daß der Verstärkungsfaktor der Verstärkeranordnung so groß ist, daß schon eine geringe Differenz zwischen Steuerung und Rückführung zur vollen Aussteuerung des Verstärkers aus reicht.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das statische Gleichhöcllstspallílungsfeld auf ein durch dieses Feld optisch beeinflußbares Medium einwirkt, das im entgegengesetzten Sinne von einem statischen Feld der Ausgangsspannung der Verstärkeranordnung beeinflußt ist. und daß fotoelektrische Alittel vorgesehen sind, die den Zustand des voll beiden Feldern beeinflußten Mediums überwachen und bei Störungen des ausgeglichenen Zustandes die Verstärkeranordnung im Sinne einer Beseitigung dieser Störung beeinflussen.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch I und 2. gekennzeichnet durch eine Waage, auf die im einen Sinne eine von der Höchstspannung elektrostatisch beeinflußte Schirmod. dgl. Anordnung. im entgegengesetzten Sinne eine von dem eingesteuerten Strom oder der eingesteuerten Spannung beeinflußte Leiter-. Leiter- und Magnetanordnung oder eine weitere Schirmanordnung einwirkt und daß der bewegliche Teil der Waage mit einem Steuerorgan. z. B.

   Spiegel. versehen ist, das bei Abweichungen der Waage aus der Gleichgewichtslage eine den eingesteuerten Strom oder die eingesteuerte Spannung sowie den Nteßstrom oder die NIeßspannung hervorrufende Verstärkeranordnutlg im Sinne einer Wiederherbeiführung der Gleichgewichtslage der Waage beeinflußt.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch I und 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Waage oder wenigstens die von der Höchstspanlliing beeinflußte Schirmanordnung od. dgl. in einem Vakuumgefäß angebracht ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5. dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuumgefäß in einem mit Isolieröl od. dgl. gefüllten Behälter angeordnet ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3. dadurch gekennzeichnet, daß in einem das optisch beeinflußbare Medium enthaltenden Behälter wenigstens drei Elektroden angeordnet sind, von denen zwei eine der Gleichstromhöchstspannung entsprechende Potentialdifferenz haben und zwei. deren Zwischenraum von dem Höchstspannungsfeld beeinflußt und von den Lichtstrahlen einer fotoelektrischen Steuereinrichtung durchsetzt ist. ein Gegenfeld hervorrufen. das von einer durch die genannte fotoelektrische Einrichtung gesteuerten Verstärkeranordnung erzeugt wird, 8. Vorriditung nach Anspruch I und 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Elektroden mit Höchstspannungspotential ein von der Verstärkeranordnung gesteuertes, das Gegenfeld erzeugendes Gitter in solchem Abstand von den beiden Elektroden angeordnet ist, daß es ihren Zwischenraum etwa im Verhältnis voll Meßspannung zu Gleichstromhöchstspannung teilt.

   Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden: Deutsche Patentschriften Sr. 296 016, 640 335; Archiv für Elektrotechnik, Bd. 33 (1939).

   Heft 1, Abb. I und 6: Elektrotechnische Zeitschrift. 1931.
8. S. 1054 ff.