DE971557C - Einrichtung zur buerdenunabhaengigen Messung hoher Wechselspannungen mittels kapazitiven Spannungsteilers und Roehrenverstaerkers - Google Patents

Description

• Einrichtung zur bürdenunabhängigen Messung hoher Wechselspannungen mittels kapazitiven Spannungsteilers und Röhrenverstärkers Es ist bekannt, zum Messen hoher Wechselspannungen, z. B. an Fernleitungen für 400 kV, Meßeinrichtungen auf kapazitiver Grundlage zu verwenden. Diese Meßeinrichtungen, kapazitiver Spannungsteiler oder Meßkondensator bezeichnet, zeichnen sich durch ihren einfachen Aufbau aus, wobei jedoch der Nachteil in Kauf genommen werden muß, daß sie bürdenabhängig sind. Man ist daher gezwungen, in den Meßkreis eine auf Resonanz abgestimmte Induktivität einzuführen, wodurch der kapazitive Spannungsteiler leistungsfähig und bürdenunabhängig wird, aber nur bei der der Abstimmung zugrunde liegenden Frequenz eine genaue Messung ermöglicht.
• Selbst kleinere Abweichungen der Frequenz vom Sollwert bedingen schon zusätzliche Meßfehler.
• Um nun diese Frequenzabhängigkeit der kapazitiven Spannungsteileranordnung zu beseitigen, ist schon vorgeschlagen worden, die Induktivität des Meßkreises veränderlich zu machen und durch eine frequenzabhängige Steuerung so einzuregeln, daß das Produkt L w2 praktisch konstant bleibt. Eine gewisse Temperaturabhängigkeit bleibt indessen bestehen.
• Es wurden zwar bereits Anordnungen bekannt, die eine kapazitive Teileranordnung im Zusammenhang mit einer Röhrenverstärkereinrichtung benutzen, beispielsweise eine Spannungsmessung mit Hilfe eines Röhrenverstärkers bei einer Kondensatordurchführung oder einer anderen kapazitiven Teileranordnung, um die Leistungsfähigkeit des Meßkreises zu erhöhen. Außerdem sind sogenannte Röhren- voltmeter bekannt, denen zur Anpassung an die Betriebsspannung ein kapazitiver Teiler vorgeschaltet werden kann. Solche Anordnungen können aber keineswegs einen induktiven Meßwandler ersetzen, dessen Dauerbetrieb gewährleistet sein muß und der eine entsprechend hohe Meßgenauigkeit (Klassengenauigkeit), unabhängig von Temperatur, Frequenz und Bürde, aufweisen muß. Dieses Ziel der exakten und zuverlässigen Betriebsmessung der Spannung von Höchstspannungsnetzen kann weder mit den einfachen Mitteln der normalen Verstärker technik noch mit in zweiter Linie für die Messung gedachten Kondensatoren durchgeführt werden.
• Die Aufgabe der bürdenunabhängigen Messung hoher Wechselspannungen mittels kapazitiven Spannungsteilers und Röhrenverstärkers wird unter Vermeidung der geschilderten Nachteile erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an den niederspannungsseitigen Kondensator des kapazitiven Spannungsteilers eine aus einer Steuerstufe und einer Endstufe bestehende, in an sich bekannter Weise stark gegengekoppelte Röhrenverstärkeranordnung angeschlossen ist, an deren Ausgang die Bürde liegt, und daß eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, die eine von den Abweichungen der Verstärkung abhängige, zur Ausregelung der Verstärkungsschwankungen dienende Regelspannung erzeugt. In diesem Falle ist die Anordnung vollständig frequenz-, bürden- und temperaturunabhängig, da dem Kondensator, an dessen Klemmen die Röhrenanordnung angeschlossen ist, praktisch keine Leistung entzogen wird, im Meßkreis keinerlei Induktivitäten liegen und die Messung nur auf dem von der Temperatur unabhängigen Verhältnis der Teilkapazitäten des Spannungsteilers beruht.
• Der Zweck der Erfindung ist der Ersatz eines induktiven Spannungswandlers durch einen kapazitiven Spannungsteiler, da die Isolation bei induktiven Spannungswandlern vor allen Dingen in Anlagen mit den höchsten zur Zeit vorkommenden Betriebsspannungen erhebliche Schwierigkeiten bereitet. Um das Ziel des vollwertigen Ersatzes zu erreichen, muß also von einem kapazitiven Spannungsteiler einmal dieselbe Genauigkeit, zum anderen ein unterbrechungsloser Dauerbetrieb gewährleistet sein. Diese beiden Bedingungen sind ausschlaggebend für die Verwendbarkeit eines kapazitiven Spannungsteilers an Stelle eines induktiven Spannungswandlers. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit Hilfe der stark gegengekoppelten, leistungslos gesteuerten Röhrenanordnung erreicht, die außerdem noch eine Regeleinrichtung zur Ausregelung der Abweichungen der Verstärkungsschwankungen der Röhrenanordnung besitzt. Mit Hilfe dieser Maßnahmen ist ein Dauerbetrieb mit der erforderlichen Meßgenauigkeit möglich, so daß ein solcher kapazitiver Spannungsteiler einen vollwertigen Ersatz für einen induktiven Wandler darstellt.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt.
• An die Hochspannungsleitung I ist gegen Erde ein kapazitiver Spannungsteiler mit den Kondensatoren 2 und 3 geschaltet. Das Spannungsteilerverhältnis ist dabei so gewählt, daß an dem erdseitigen Kondensator3 eine für den Eingang der Röhrenanordnung geeignete Spannung abgegriffen werden kann. Diese Spannung am Kondensator 3 wird über eine Steuerstufe 4 mit hochohmigem Eingang auf eine Endstufe 5 gegeben, an deren Ausgang die--Meßinstrumente, Relais usw. angeschlossen sind. Zur Erreichung einer weitgehenden Unabhängigkeit von der anzuschließenden Bürde 6 und zur Erlangung stabiler Verhältnisse, insbesondere bei Netzspannungsschwankungen oder bei Röhrenalterung, ist eine starke Gegenkopplung 7 von der Endstufe 5 auf die Steuerstufe 4 und gegebenenfalls auch innerhalb der Endstufe 5 selbst, durch die Leitung 8 angedeutet, vorgesehen.
• Der kapazitive Spannungsteiler kann dabei in an sich bekannter Weise gleichzeitig dazu ausgenutzt werden, irgendwelche anderen Hochfrequenzgeräte 9 an die Hochspannungsleitung 1 anzukoppeln, z. B.
• Geräte für die EW-Telefonie bzw. Fernmeßgeräte.
• Die Ankopplung würde dann an dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Kondensatoren 2 und 3 erfolgen, so daß also der Hochspaunungskondensator 2 gleichzeitig als Kopplungskondensator dient. Um eine Beeinflussung der Meßeinrichtung durch die Hochfrequenzgeräte g zu verhindern, kann erforderlichenfalls zwischen dem Ankopplungspunkt IO der Hochfrequenzgeräte g und dem Abgang zur Steuerstufe 4 eine auf die Hochfrequenz abgestimmte Sperre II eingeschaltet werden, die so zu bemessen ist, daß durch ihre Induktivität keine unerwünschten Phaseneinfiüsse erzeugt werden und in die Messung eingehen.
• Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit ist zwischen Steuerstufe 4 und Endstufe 5 ein Regelglied 12 und eine Phasendreheinrichtung I3 zwischengeschaltet.
• Außerdem ist ein Hilfsoszillator 14 vorgesehen, der eine Hilfswechselspannung höherer Frequenz erzeugt und diese auf ein Vergleichsgerät I5 gibt. Diese Hilfsfrequenz gelangt von dem Vergleichsgerät 15 über die Leitung 16 auf den Eingang der Steuerstufe 4 und durchläuft die nachfolgenden Glieder bis zum Ausgang der Endstufe 5, von wo aus sie über die Leitung I7 zum Vergleichsgerät I5 zurückgelangt. In diesem Vergleichsgerät I5 befindet sich ein geeichter Spannungsteiler, dessen Teilungsverhältnis der gesamten Verstärkung der Meßeinrichtung entspricht. In Abhängigkeit von dem auftretenden Teilerverhältnis werden positive oder negative Abweichungen der Verstärkung zur Erzeugung einer Regelspannung verwendet, die über die Leitung8 auf das Regelglied 12 einwirken und gegebenenfalls noch zusätzlich über das Regelglied I2 hinweg über die Leitung 19 die Steuerstufe 4 beeinflussen. Mit Hilfe dieser Regeleinrichtung wird erreicht, daß unabhängig von Spannungsschwankungen, Alterung der Röhren usw. stets eine gleichbleibende Verstärkung vorhanden ist, die innerhalb einer Toleranz von I °/oo gehalten werden kann. Zum Ausgleich der im Meßgerät etwa auftretenden Phasendrehung kann der obengenannte besondere Phasendrehen 13 vorgesehen werden, der eine solche etwaige Phasenverschiebung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung ausgleicht.
• Das Regelglied 12 kann je nach Anforderung an die Genauigkeit und Regelgeschwindigkeit mechanisch, elektrisch oder elektronisch gesteuert werden. Selbst- verständlich kann auch hier der hochspannungsseitige Kondensator 2 als Kopplungskondensator für die obenerwähnten Hochfrequenzgeräte mitverwendet werden. Die von der Meßeinrichtung abgegebene Leistung kann naturgemäß auch dazu benutzt werden, neben dem eigentlichen Meßgerät weitere Einrichtungen, z. B. Relais oder sonstige Steuereinrichtungen, zu speisen. Da bei solchen Einrichtungen keine allzuhohen Anforderungen an die Genauigkeit gestellt werden, kann es gegebenenfalls zweckmäßig sein, zwei voneinander unabhängige Meßkreise vorzusehen, von denen der eine für die Grobmessung, der andere für die Feinmessung aufgebaut sein kann.
• Da die Meßeinrichtung eine verhältnismäßig hohe Leistung abgeben muß, ist es zweckmäßig, zumindest die Endstufe 5 als Gegentaktstufe in A/B-Schaltung auszuführen.
• Um eine ständige Betriebsbereitschaft unter allen Umständen sicherzustellen, kann man die Meßeinrichtung oder bestimmte Röhrenstufen derselben doppelt vorsehen und die Anordnung so treffen, daß mit Hilfe einer Überwachungseinrichtung bei Ausfall eines Gliedes bzw. der ganzen Meßeinrichtung automatisch und unterbrechungslos auf das Ersatzglied bzw. auf die Ersatzmeßeinrichtung umgeschaltet wird.
• Anstatt den kapazitiven Spannungsteiler mit den Kondensatoren 2 und 3 als Einfachkette auszubilden, kann man natürlich auch mehrere Zweige parallel schalten.

Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE: I. Einrichtung zur bürdenunabhängigen Messung hoher Wechselspannungen mittels kapazitiven Spannungsteilers und Röhrenverstärkers, dadurch gekennzeichnet, daß an den niederspannungsseitigen Kondensator des kapazitiven Spannungsteilers eine aus einer Steuerstufe und einer Endstufe bestehende, in an sich bekannter Weise stark gegengekoppelte Röhrenverstärkeranordnung angeschlossen ist, an deren Ausgang die Bürde liegt, und daß eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, die eine von den Abweichungen der Verstärkung abhängige, zur Ausregelung der Verstärkungsschwankungen dienende Regelspannung erzeugt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einerSteuerstufe und einer Endstufe bestehende Meßanordnung sowohl eine Gegenkopplung von der Endstufe auf den Eingang der Steuerstufe als auch eine Eigengegenkopplung der Endstufe erhält.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung aus einem zwischen Steuerstufe und Endstufe eingeschalteten Regelglied sowie einer die Regelspannung erzeugenden Vergleichseinrichtung besteht, der eine von einem Hilfsoszillator gelieferte Frequenz von gegenüber der Meßfrequenz höherer Frequenz zugeführt wird.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch I und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Hilfsoszillator der Vergleichseinrichtung zugeführte Frequenz außerdem über die gesamte Meßanordnung geführt und von dessen Ausgang erneut der Vergleichseinrichtung zugeführt und in dieser mit der unmittelbar zugeführten Frequenz verglichen wird.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch I, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die VeIgleichseinrichtung einen geeichten Spannungsteiler enthält, dessen Teilerverhältnis dem Spannungsübersetzungsverhältnis der Meßanordnung entspricht.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch I und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelglied auf mechanischem, elektrischem oder elektronischem Wege verstellbar ist.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hochspannungsseitige Kondensator der Spannungsteilerkette so ausgelegt wird, daß er gleichzeitig als Kopplungskondensator für Hochfrequenzgeräte irgendwelcher Art dient.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch I und 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ankopplungspunkt der Hochfrequenz und dem Anschluß der Meßanordnung ein auf die Hochfrequenz abgestimmtes Sperrglied eingeschaltet ist.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßanordnung an geeigneter Stelle ein phasendrehendes Glied eingeschaltet ist.

   IO. Einrichtung nach Anspruch I bis 9, gekennzeichnet durch eine Überwachungseinrichtung, die zur automatischen und unterbrechungslosen Umschaltung auf eine Ersatzanordnung bzw. ein Ersatzglied der Röhrenanordnung im Falle einer Störung an dem im Betrieb befindlichen Teil dient.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Katalog L der »General Radio« Co, Massachusetts, I948, Blatt »Vacuum Tube Voltmeter«, Type I800 A und Type I800 P 3; Buch Electronics Experimental Techniques« von W. C. Elmore und M. Sands, I949, S. I66/I67; Zeitschrift »Nucleonics«, März I948, S. I6 ff.; »Electrical Transmission and Distribution Reference Book«, I950, Aufsatz »Coupling and Tuning Equipment and Circuits«; Buch >Reference Data for Radio Engineers«, I949, der »Federal Telephone and Radio-Corporation«, S 533 ff.; Buch von Barkhausen, » Elektronen-Röhren«, Bd. 4, Abschnitt »Gleichrichter und Empfänger«, S. 254 bis 256; Buch »HF-Meßtechnik« von Dr. 0. Zinke, I946, S.89 bis 93; Siemens-und-Halske-Katalog SH 6336, Blatt 112 und I23, Juli I936; Veröffentlichung aus »Elektron-och-Jourör och devas anrändning inom Krafttekniken«, I942, Aufsatz über »Kondensator-Durchführungen mit nachfolgendem gegengekoppeltem Verstärkeri; ATM V 3333-2 (1931).