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Einrichtung zum Messen von hohen Wechselspannungen mit Hilfe eines
kapazitiven Spannungsteilers
Es ist bekannt, hohe Wechselspannungen mit Hilfe eines
kapazitiven Spannungsteilers zu messen. Dabei wird an die Pole einer Wechselspannungsquelle
eine Kapazität geschaltet, welche aus einer Mehrzahl in Serie geschalteter Kondensatoren
besteht, an deren einem ein Bruchteil der zu messenden Spannung abgegriffen wird.
Das Verhältnis der abgegriffenen Meßspannung zur Totalspannung hängt ab vom Verhältnis
der Gesamtkapazität zur Kapazität, über welcher der Abgriff erfolgt.
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Zur Verbesserung der Meßgenauigkeit ist es auch bereits bekannt,
die Verlustwinkel der Kondensatoren durch Hinzuschalten von olimschem Widerstand
auf gleiche oder annähernd gleiche Größe zu bringen. Diese bekannte Anordnung, bei
der die Spannung mit Hilfe eines einen möglichst geringen Stromverbrauch aufweisenden
Voltmeters gemessen wird, hat den Zweck, durch Erreichung gleicher Verlustwinkel
für beide Kondensatoren das Verhältnis der Teilspannungen unabhängig von der Frequenz
zu machen.
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Die Messung ist sehr genau, solange als Meßinstrument statische Voltmeter
verwendet werden.
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Benötigt man dagegen zu Meßzwecken größere Leistungen oder weist der
Meßkreis neben kapazitiven noch induktive und ohmsche Widerstände auf, so vermindert
sich die Meßgenauigkeit sehr rasch. Sie kann durch Vergrößerung der Totalkapazität
des Spannungsteilers, durch transforma-
torische Umwandlung der
abgegriffenen Meß spannung in bekannter Weise verbessert werden. Doch ist der Aufwand
für den Spannungsteiler bei höheren Spannungen in keinem Verhältnis mehr zum erreichten
Nutzeffekt.
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Weitere Verbesserungen der Meßgenauigkeiten bei großer Leistungsentnahme
aus dem Spannungsteiler bestehen darin, daß man Kompensationsglieder in den Sekundärteil
des Spannungsteilers einhaut. Besonders geeignet erwies sich die Verwendung einer
Drosselspule im Meßkreis, deren Induktivität in Resonanz mit der Summe der beiden
kapazitiven Glieder des Spannungsteilers steht. Der Anschluß erfolgt für diese Ausführung
beispielsweise entsprechend Fig. I. Darin stellt 1 den Hochspannungsteil und 2 den
Niederspannungsteil des kapazitiven Spannungsteilers dar. An ihrem Verhindungspunkt
ist über eine Drosselspule 3 ein Spannungswandler 4 angeschaltet, an dessen Sekundärwicklung
die Belastungsimpedanz 5 des Meßkreises angeschlossen ist. Die Totalspannung liegt
zwischen Leiter und Erde, also an den in Serie geschalteten Teilen I und 2. Die
Meßspannung wird an der Belastungsimpedanz 5 angenommen. Das Verhältnis der Totalspannung
zur Meßspannung soll konstant und möglichst unabhängig von der Größe der Belastungsimpedanz
5 sein. -Ebenfalls soll die Meßspannung gegenüber der Totalspannung in der Phase
keine Verschiebung aufweisen.
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Die Spannungsabfälle in den Verlustwiderständen der Drosselspule
3 und des Transformators 4 ergehen aber zusätzliche tSbersetzungs- und Winkelfehler,
welche nicht für alle in Frage kommenden Belastungen durch die Impedanz 5 genügend
klein gehalten oder kompensiert werden können, sofern an den Spannungsteiler Forderungen
in bezug auf Meßgenauigkeit und Belastbarkeit gestellt werden, wie sie für normale
Spannungswandler mit transformatorischer Spannungsumwandlung nach den bestehenden
Vorschriften verlangt werden.
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Um den Übersetzungsfehler klein zu halten, kann wohl durch Veränderung
der Kapazitäten 1 und 2 oder des Übersetzungsverhältnisses des Transformators 4
das Übersetzungsverhältnis des Spannungsteilers so bestimmt werden, daß der Übersetzungsfehler
für eine mittlere Belastung Null wird. Die gleichen Maßnahmen haben aber auf die
Größe des Fehlwinkels des Spannungsteilers praktisch keinen Einfluß, so daß zu dessen
Verkleinerung bis heute keine einfachen Mitel zur Verfügung standen.
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Die Erfindung gibt die Möglichkeit, den Fehlwinkel zu kompensieren.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der bei Leistungsentnahme durch
den ohmschen Widerstand der Resonanzdrossel und des Transformators hervorgerufene
mittlere Fehlwinkel zwischen Gesamtspannung und Meßspannung durch den Einbau eines
ohmschen Widerstandes in das Hochspannungsglied des Spannungsteilers kompensiert
wird.
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Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme werden die Verlustwinkel der
beiden Kondensatoren nicht wie bei den bekannten Anordnungen einander angeglichen,
sondern im Gegenteil in einem solchen Maße ungleich gemacht, daß der mittlere Fehlwinkel
auf der Sekundärseite für eine bestimmte Netzfrequenz kompensiert wird.
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In Fig. 2 ist beispielsweise gezeigt, daß der ohmsche Widerstand
6 in Serie mit der l-Iochspannungskapazität I geschaltet wird. Dabei kann sich der
Widerstand am leitungsseitigen Ende oder am erdseitigen Ende befinden. Der in diesem
Widerstand bei Beanspruchung mit der Betriebswechselspannung entstehende Spannungsabfall
ist so gewählt, daß die dadurch bewirkte Phasenverschiebung im Hochspannungsteil
ungefähr derjenigen entspricht, welche durch die Belastungsimpedanz 5 im Unterspannungsteil
erzeugt wird. Damit vermindert sich der Fehlwinkel, d. h. die Phasendifferenz zwischen
der Totalspannung an Leiter und Erde und der Meßspannung an der Belastungsimpedanz
5.
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Bei Beanspruchung mit Stoßspannungen, wie sie bei atmosphärischen
Entladungen oder Einschaltvorgängen in Hochspannungskreisen entstehen können, tritt
am Widerstand 6 eine wesentlich höhere Spannung auf als im Betrieb. Der Widerstand
ist deshalb durch die Parallelschaltung einer Überspannungsschutzeinrichtung 7,
wie Widerstandsableiter oder Schutzfunkenstrecken, zu schützen Diese spricht bei
Überbeanspruchung an und leitet die zu hohen Spannungen am Widerstand ab. Es kann
auch durch Benutzung von spannungsalahängigen Widerständen erreicht werden, daß
im Betriebsfalle der zur Kompensation des Fehlwinkels nötige Spannungsabfall erzeugt
wird, bei Überspannung aber die Widerstände einen viel kleineren Wert aufweisen,
der Spannungsabfall also in erträglichen Grenzen bleibt.
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Der ohmsche Widerstand 6 kann auch parallel zur Hochspannungskapazität
angeschlossen werden. Er ist in diesem Falle für die Totalspannung des Spannungsteilers
zu dimensionieren, braucht also keinen besonderen Schutz bei Überspannungen.
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Es ist dabei in bezug auf die Einwirkung auf den Fehlwinkel gleichgültig,
ob der Widerstand, bestehend aus einzelnen Einheiten, nur am Anfang und am Ende
der Hochspannungskapazität I angeschlossen wird oder ob seine Einzelteile an entsprechende
Zwischenpotentiale der Kapazität I angeschaltet werden.