NL7810695A - Kapacitieve wisselspanningsdeler. - Google Patents

Description

ψ Η»Ο* 26.726 ΗΑΖΕΜΕΕΓΕΗ BY, te Hengelo.

-ί

Be uitvinding heeft "betrekking op een kapaeitieve ; spanningsdeler, bijvoorbeeld voor middel- of hoogspanning, bestaande uit de serieschakeling van tenminste twee konden- i satoren, waarvan er een dient als meetkondensator, welke j serieschakeling kan worden aangesloten tussen een primaire 5 spanning en een referentiespanning, waarbij van de meet- j. kondensator als sekundaire spanning een meetsignaal wordt : afgeleid, welk meetsignaal kan bestaan uit een wisselspan-ningskomponent en een gelijkspanningskomponent en waarbij over de meetkondensator ten lekimpedantie is aangesloten ! 10 voor het afvoeren van de gelijkspanningskomponent, voor- ! zien van besturingsmiddelen voor het ontvangen van het j meetsignaal en voor het uit het meetsignaal afleiden van ’ de zuivere gelijkspanningskomponent.

Een dergelijke spanningsdeler is bekend uit "Bulletir. 15. Scientifiquë 1.1.M.", 19^» j^^v blzV ^54-155·

Wanneer het van de meetkondensator afgenomen meetsignaal dient voor het bewaken van de op de spanningsdeler aangerlj sloten primaire spanning, kan een dergelijke gelijkspan-ning over de meetkondensator het funktioneren van de bewa- 20 king bemoeilijken of zelfs verhinderen. Bij aanwezigheid van een dergelijke gelijkspanning kunnen distantierelais j niet tijdig of foutief ingrijpen. Ook is het lokaliseren | van een aardfout of fasesluiting moeilijk of onmogelijk.

Een gelijkspanning over de meetkondensator kan onder 25 meer optreden als een primaire wisselspanningsleiding wordt afgeschakeld op een tijdstip dat de golfvorm van de .wisselspanning niet door nul gaat. Be dan nog resterende -l~ 78 1 0 6 9 5 -Jf 2 spanning op de leiding leidt tot een restlading, ook ge-lijkspannihgskomponent genoemd, die via de op de primaire spanning aangesloten kondensator een gelijkspanning over de meetkondensator tot gevolg heeft. Indien bij een der-gelijke gelijkspanning over de meetkondensator de spanning 5 weer na enige perioden terugkomt en er onmiddellijk daarna een kortsluiting optreedt, terwijl de gelijkspanning nog niet voldoende is afgeleid, treedt er als gevolg hiervan pas na enige perioden een nuldoorgang van het meet^ signaal op, op welke nuldoorgang een distantierelais rea- 10 geert. Dit betekent echter dat het relais te laat reageert. Ook overspanningen op de primaire wisselspannings_ leiding kunnen tot restladingen en gelijkspanningen over de meetkondensator aanleiding geven.

Voor het korrekt funktioneren van distantierelais is 15 dus een onvervormde weergave van de veranderingen in de primaire spanning noodzakelijk. Daarom is bij de bekende spanningsdeler parallel aan de meetkondensator een lek. impedantie geschakeld, waardoor de gelijkspanning voldoende snel verdwijnt. 20

Het aanbrengen van een lekimpedantie voorkomt weliswaar, dat onder o.m. de hiervoor genoemde kondities een ontoelaatbare vertraging in het funktioneren van beveiligingsapparatuur optreedt, een nadelig effekt van deze maatregel is echter, dat er faseverschuiving van het 25 meetsignaal ten opzichte van de primaire wisselspanning optreedt. Het gevolg hiervan is een vertraging in het aanspreken van beveiligingsapparatuur, bijvoorbeeld in geval van kortsluiting in het primaire wisselspanningscircuit.

Behalve faseverschuiving treden bovendien ten gevolge van 30 de lekimpedantie uitslingerverschijnselen van het meetsignaal op, welke zoals begrijpelijk zal zijn, eveneens een accurate werking van het beveiligingssysteem voor de primaire wisselspanning verstoren.

78 1 0 6 9 5 35 y?' . · ·' * \ 3 ;.v

Bovengenoemde nadelen worden vermeden bi j de kapa-oitieve wisselspanningsdfler volgens de onderhavige uitvinding, die bet kenmerk heeft, dat kompensatiezniddelen aanwezig zijn voor het ontvangen van het meetsignaal en voor het met de genoemde afgeleide zuivere gelijkspannings- 5 komponent kompenseren. vaa. de géli jkspanningskomponent in het meetsignaal. ^

Bij de kapaoitieve wisaelapanningadeler volgens de onderhavige uitvinding wordt de gelijkspanningskomponent in het meetsignaal, dus de lading op de meetkondensator 10 weliswaar via een daarover aangebrachte lekimpedantie afgevoerd, maar hierop vooruitlopend wordt de door de genoemde lading veroorzaakte gelijkspanningskomponent in het meetsignaal ogenblikkelijk gekompenseerd en blijft deze gekompenseerd totdat de lading verdwenen is. Ogen- 15 blikkelijk wil hier zeggen in korte tijd vergeleken met de periodetijd, die bij 50 Hz 20 msek bedraagt.

In een voorkeurs uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding bestaan de kompensatiemiddelen uit een kompensatiekondensator en een daarmee parallel geschakelde lek- 20 impdantie, waarvan een gemeenschappelijke aansluitklem met de genoemde referentiespanning is verbonden; schakel-middelen voor het aan de andere gemeenschappelijke aansluitklem van de kompensatiekondensator en de daarmee parallel geschakelde lekimpedantie toevoeren van een ge- 25 geven verdere referentiespanning, welke schakelmiddelen kunnen worden gestuurd door een van de zuivere gelijkspanningskomponent afgeleid signaal, waarbij de waarde van de verdere referentifspanning en de insohakeltijd van de schakelmiddelen zodanig worden gekozen, dat de spanning 30 op de kompensatiekondensator de gelijkspanningskomponent in iet meetsignaal snel'kan kompenseren; een differentiaalversterker, aan een ingang waarvan het meetsignaal en aan een andere ingang waarvan de spanning op de kompensatiekondensator wordt toegevoerd, terwijl het op de 35 gelijkspanningskomponent gékompenseerde uitgangssignaal 78 1 0 6 9 5 4 naar de besturingsmiddelen wordt gevoerd, De spanning op de kompensatiekondensator kan in absolute waarde gezien gelijk worden gemaakt aan de zuivere gelijkspanningskompo-nent op de meetkondensator. De differentieelversterker kan dan voor beide signalen een versterkingsfaktor 1 bezitten. 5 Opmerking verdient, dat een kapacitieve wisselspan-ningsdeler met een verdere kondensator ook worden voorgesteld in de Nederlandse octrooiaanvragen 7711655 en 7802969 van aanvraagster. Hierbij worden twee afzonderlijke signalen opgewekt, namelijk een smalbandig grondgolfsignaal, 10 dat dus met de zuivere wisselspanningskomponent overeenkomt en een breedbandig signaal, dat eveneens de gelijk-spanningskomponent bevat. Beide kunnen fungeren als stuursignaal terwijl het laatste kan dienen als meetsignaal voor bewakings- of beveiligingsdoeleinden. De stuursigna- 15 len geven de besturingsmiddelen aanleiding om eventueel aanwezige gelijkspanningskomponenten in het breedbandige signaal te verwijderen. De in de genoemde eerdere octrooiaanvragen beschreven methoden om met behulp van een hoog-spanningskondensator twee min of meer onafhankelijke ka- 20 nalen te verkrijgen kunnen voor wat betreft de overspraak of de praktische uitvoerbaarheid in bepaalde situaties op bezwaren stuiten. Hoewel door geschikte keuze van de kapaciteiten een grote mate van onafhankelijkheid tussen de twee bovengenoemde signalen wordt bereikt, wordt een 25 kapacitieve wisselspanningsdeler gewenst, waarmee een volledige onafhankelijkheid is te verwezenlijken. Deze onafhankelijkheid kan worden bereikt met een dubbele span-ningsdeler, die ook onderwerp van de bovengenoemde eerdere octrooiaanvragen vormt. Ook hier kunnen echter praktische 50 bezwaren ontstaan, vooral wanneer de meetkondensator van aanzienlijke kapaciteit is, in welk geval de toepassing van halfgeleiderschakelaars, die in het algemeen de voorkeur verdienen, problemen opleveren, omdat de schakel-stromen te groot worden. Dit geldt bijvoorbeeld bij mo- 35 dernisering van een oude CYT-meetinstallatie, waarbij een 78 1 0 6 9 5 5...

grote extra Condensator in de serieschakeling moet worden opgenomen om een extra meetpunt te kreëren. Het is dan ^ praktiscli aantrekkelijker om met een vaste lekimpedantie - te volstaan.

De kapacitieve wisselspanningsdeIer volgens de onder- 5 ‘ havige uitvinding bezit de eigenschap van zowel vereenvoudigde praktische uitvoerbaarheid als van volledige onafhankelijkheid van beide bovengenoemde signalen. De regelsnelheid is bij de spanningsdeler volgens de onderhavige uitvinding tenminste gelijk aan de beste uitvoerings- 10 vorm volgens beide eerder genoemde octrooiaanvragen, terwijl de bandbreedte ruimschoots voldoende blijft voor het gestelde doel.

Bij de spanningsdeler volgens de onderhavige uitvinding laat men de ongewenste lading op de meetkondensator 15 niet door het kortsluiten met behulp van een schakelaar van deze kondensator binnen zeer korte tijd wegvloeien, maar wordt de gelijkspanningskomponent op de kondensator met een bijvoorbeeld even grote spanning van gelijke of tegengestelde potentiaal gekompenseerd door samenvoeging 20 in een differentiaalversterker. .

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van de tekeningen, waarop enkele schakelingvoor-beelden zijn weergegeven,

Big. 1 toont een eerste uitvoeringsvoorbeeld van een 25 kapacitieve wisselspannimgsdeler volgens de onderhavige uitvinding met de bijbehorende besturingsmiddelen; fig, 2 toont een ten opzichte van fig. 1 gewijzigde uitvoeringsvorm van de kapacitieve wisselspanningsdeler volgens de onderhavige uitvinding; 30 fig. 3 toont een voorkeursuitvoeringsvorm, waarbij een tweede differentiaalversterker is toegevoegd.

Evenals in de bekende schakeling en in de schakelingen volgens de eerder genoemde octrooiaanvragen van aanvraagster is de kapacitieve wisselspanningsdeler, be- 35 staande uit de serieschakeling van de kondensatoren C1 en 02 met de daarover geschakelde lekimpedantie R1 aangesloten 7910695 6 t tussen de primaire spanning V en een referentiespanning, bijvoorbeeld de aarde. De lekimpedantie R1 zal een waarde bezitten, die zo groot is gekozen, dat de fasefout in het signaal op het knooppunt van.d en C2 is te verwaarlozen of voor de wisseispanningsfrequentie eenvoudig kan worden 5 gekompenseerd.

Ervan uitgaande dat de fasekorrektie achterwege kan blijven, passeert het signaal op het knooppunt van de kon-densatoren C1 en C2 in het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld eerst de versterker 7^, hier een differentiaalversterker, 10 waarna het signaal rechtstreeks als meetsignaal B de ingang 2 van een vergelijkingsschakeling D bereikt. Het uitgangssignaal van versterker wordt tevens toegevoerd aan een gelijkspanningssperfilter E1, waarna het als smalbandig grondgolfsignaal de eerste ingang van de vergelijkings- 15 schakeling D bereikt. In deze vergelijkingsschakeling D worden beide signalen met elkaar vergeleken, teneinde een gelijkspanningskomponent in'het breedbandige meetsignaal B vast te stellen.

De kompensatieschakeling bestaat hier uit de reeds 20 genoemde differentiaalversterker 71, uit de kompensatie-kondensator C3 met parallel geschakelde lekimpedantie R2 en uit een aantal verdere weerstanden R3 en R4 en schakelaars S1 en S2.

Een verbindingspunt van de kompensatiekondensator. C3 25 en de lekimpedantie R2 is met een' referentiespanning verbonden, die ook hier uit de aarde kan bestaan. Het andere verbindingspunt is aangesloten op de tweede ingang van de differentiaalversterker. 7erder zijn met dit andere verbindingspunt twee weerstanden R3 en R4 verbonden, die elk 30 voor zich met een andere aansluitgeleider zijn verbonden met schakelaars S1 respektievelijk S2 die weer met verdere referentiespanningen 7ref-j en 7re£2 zi3n verbonden. Deze schakelaars S1 en S2 kunnen worden bediend door het uitgangssignaal van de vergelijkingsschakeling D, dat wil 35 zeggen door een signaal dat afhankelijk is van de door de 78 1 0 6 9 5 ·. 1 , vergelijkingsschakeling D vastgestelde gelijkspanningskom-·· ponent. Deze gelijkspanningskomponent wordt eerst aan een logische heslissingsschakeling toegevoerd. Deze logische beslissingsschakeling is van een aantal uitgangen voorzien.

Elke uitgang ontvangt een signaal overeenkomstig een bepaal- 5 de grootte en polariteit van de gelijkspanningskomponent en een van deze uitgangssignalen kan de schakelaar SI respek-tievelijk S2 inschakelen, waarna de referenti es panning ',Vr of Tref2 aan Het met de alfferentiaalversterker 71>tf>on-v den verbindingspunt van kompensatiekondensator C3 en lek- 10 impedantie R3 wordt toegevoerd. Hierdoor.wordt op de kompensatiekondensator 03 een even grote gelijkspanning opgebouwd als op kondensator 02 aanwezig is. Het opbouwen van deze kompensatiespanning hangt af van de waarde van de weerstanden R3 en R4. Deze. waarden zal men in verband hiermee 15 en al naar gelang de gewenste kompensatiesnelheid kiezen.

Hetzelfde geldt voor de waarde van de referentiespanningen

Vref1 en ?ref2*

Wanneer de gelijkspanningen op de kondensatoren C2 en 03 gelijk zijn geworden, zal de differentiaalversterker 20 V1 in zijn uitgangssignaal, dat wil zeggen het gewenste meetsignaal geen gelijkspanningskomponent meer bevatten.

Beide aan de ingangen 1 en 2 van de vergelijkingsschakeling D toegevoerde signalen bestaan dan alleen nog uit het zuivere wisseispanningssignaal. De vergelij kings schakeling 25 D zal dus geen gelijkspanningskomponent meer detekteren, - waardoor de schakelaars Si en/pfS2 weer worden geopend.

Zoals hiervoor is opgemerkt is ook over de kompensatiekondensator 03 een lekimpedantie R2 aangesloten. De lekimpedantie R1 over de meetkondensator C2 heeft een zo- 30 danige hoge waarde, dat de afsnijfrequentie voldoende ver onder de frequentie van de te meten wisselspanning ligt teneinde de geïntroduceerde fase- en amplitudefouten gering te houden. Dit impliceert een grote tijdkonstante.

02 zal zich dus langzaam over R1 ontladen, waardoor de 35 gelijkspanningskomponent in het knooppunt 01, 02 dus lang 78 1 0 6 9 5 8 zaam afneemt.

Kondensator C3 kan zich via de lekimpedantie R2 ontladen, welke laatste lekimpedantie bij voorkeur een zodanige waarde bezit, dat de tijdkonstante R2.C3 even groot is als de tijdkonstante R1.C2. In principe zijn dan na het laden 5 van 03 tot de juiste kompensatiespanning geen korrekties meer nodig, daar zowel C2 als C3 zich volgens dezelfde krommen, via de aangesloten lekimpedanties R1 respektieve-lijk R2 ontladen. Bij ongelijke tijdkonstanten zullen na enige tijd korrekties optreden, teneinde de kompensatie 10 volledig te houden.

In het uitvoeringsvoorbeeld volgens fig. 2 wordt slechts een schakelaar S1 toegepast, die via de weerstand R3 een referentiespanning aan kondensator C3 toevoert.

Deze referentiespanning bestaat hier uit het verschil 15 tussen het breedbandige meetsignaal, dat wil zeggen het signaal met de zuivere wisselspanningskomponent en de ge-· lijkspanningskomponent en uit het signaal afkomstig uit het gelijkspanningssperfilter F1, dus de zuivere wissel-spanningskomponent. Dit betekent dat Vref in het algemeen 20 gelijk zal zijn aan de door de vergelijkingsschakeling D afgeleide gelijkspanningskomponent. Bij detektie van een gelijkspanningskomponent in het breedbandige signaal zal schakelaar S1 worden gesloten, waardoor C3 snel tot de verschilspanning, dat wil zeggen de uitgangsspanning van 25 de vergelijkingsschakeling D wordt geladen. Daarna is de gelijkspanningskomponent in het breedbandige meetsignaal gekompenseerd en wordt S1 weer geopend, De kondensatoren C2 en C3 zullen weer met dezelfde snelheid worden ontladen.

Bij het snel laden van kondensator C3 door de bij- 30 behorende referentiespanning als een van de schakelaars S1 of S2 wordt gesloten treden transiënte verschijnselen op.

Deze transiënte verschijnselen bij het opladen van C3 kunnen echter ook via de differentiaalversterker V1 in het zuivere wisselspanningssignaal terechtkomen, dat via het 35 gelijkspanningssperfilter R1 aan de ingang 1 van de verge- 78 1 0 6 9 5 .. 9'. ' ;' < lijkingssehakeling D wordt toegeToerd. Dit nadeel kan worden vermeden door een tweede differentiaalversterker 72 in te voeren en door het soipatiepunt te verleggen naar uitsluitend de tak van liet "breedbandige signaal dat aan ingang 2 van de vergelijkingsschakeling D wordt toegevoerd. 5

De differentiaalversterker 71 fungeert hierbij dan als buf-ferversterker. De opgewekte transiënte verschijnselen bij het snel opladen van C3 zullen nu alleen nog aanwezig zijn in het laatstgenoemde signaal en niet in het signaal dat via het sperfilter P1 aan de andere ingang van de ver- 10 gelijkingsschakeling D wordt toegevoerd. Dit signaal zal dus steeds een nauwkeuriger smalbandig grondgolfsignaal zijn dan in de vorige uitvoeringsvoorheelden, waarna het filteren in Pi nog wel een rest van transiënten in A aanwezig kan zijn, wanneer de bandbreedte van het gelijkspan- 15 ningssperfilter P1. niet bijzonder klein is.

De differentiaalversterker 71 kan zowel in het uit-voeringsvoorbeeld volgens fig. 1 als in de andere uitvoeringsvoorbeelden een versterkingsfaktor gelijk aan 1 bezitten. 20 ;

Het spreekt vanzelf dat in de oplaadketen voor kon-densator 02, voorgesteld door de schakelaars S1 en S2 res-pektievelijk R3 en R4 vele varianten mogelijk zijn, die ook reeds in de beide genoemde eerdere octrooiaanvragen van aanvraagster zijn besproken» v " 25

De belangrijkste voordelen van de schakeling volgens de uitvinding zijn, dat de prestaties, dat wil zeggen de werksnelheid, tenminste gelijk zijn aan een stelsel met twee parallelle kapacitieve wisselspanningsdelers volgens bijvoorbeeld fig. 7 van octrooiaanvrage 7711655. Bovendien 30 kan een spanningsdeler volgens de uitvinding eenvoudig worden toegevoegd aan een bestaande spanningsdeler zonder ingrijpende veranderingen in de spanningsdeler zelf, het- , geen bijvoorbeeld in het geval van de spanningsdeler uit de Nederlandse octrooiaanvrage 7711655 wel nodig is, 35

Het spreekt vanzelf, dat de uitvinding niet tot de 78 1 06 9 5

Claims (8)

1. Kapacitieve spanningsdeler, bijvoorbeeld voor 5 middel- of hoogspanning, bestaande uit de serieschakeling van tenminste twee kondensatoren, waarvan er een dient als meetkondensator, welke serieschakeling kan worden aangesloten tussen een primaire spanning en een referen-tiespanning, waarbij van de meetkondensator als sekundaire 10 spanning een meetsignaal wordt afgeleid, welk meetsignaal kan bestaan uit een wisselspanningskomponent en een gelijk-spanningskomponent en waarbij over de meetkondensator een lekimpedantie is aangesloten voor het afvoeren van de gelijks panningskomponent, voorzien van besturingsmiddelen 15 voor het ontvangen van het meetsignaal en voor het uit het meetsignaal afleiden van de zuivere gelijkspannings-komponent, gekenmerkt door kompensatie-middelen voor het ontvangen van het meetsignaal en voor het met de genoemde afgeleide zuivere gelijkspannings- 20 komponent kompenseren van de gelijkspanningskomponent in het meetsignaal.

2. Kapacitieve spanningsdeler volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de kompensatiemiddelen bestaan uit: een kompensatiekondensator en een daarmee paral- 25 lel geschakelde lekimpedantie, waarvan een gemeenschappelijke aansluitklem met de genoemde referentiespanning is verbonden; schakelmiddelen voor het aan de andere gemeenschappelijke aansluitklem van de kompensatiekondensator en de daarmee parallel geschakelde lekimpedantie toevoeren van een gegeven 30 verdere referentiespanning, welke schakelmiddelen kunnen worden gestuurd door een van de zuivere gelijkspanningskomponent afgeleid signaal, waarbij de waarde van de verdere referentiespanning en de inschakeltijd van de schakelmiddelen zodanig worden gekozen, dat de spanning op de kompensa- 35 tiekondensator de gelijkspanningskomponent in het meetsig- 78 1 0 6 9 5 ··' ' ···· - -·'···. - · -...-. ... • ί: 11 naai snel kan kompenserenj een differentiaalversterker, aan een ingang waarvan het meetsignaal en aan een andere ingang waarvan de spanning op de kompensstiekondensator wordt toegevoerd, terwijl het op de gelijkspanningskomponent gekom-penseerde uitgangssignaal naar de besturingsmiddelen wordt 5 gevoerd.

3. Kapacitieve spanningsdeler volgens conclusie 2, met het ken merk, dat de kompensatiekonden-sator en bijbehorende lekimpedantie dezelfde RC-tijd bezitten als de meetkondensator en de hiermee parallel ge- 10 schakelde lekimpedantie. ;

4. Kapacitieve spanningsdeler volgens conclusie 2. of 3, m et h et k e n m e r k, dat de schakelmidde-len bestaan uit meerdere parallelle schakelaars, elk aan-gesloten op een andere bepaalde referentiespanning. 15

5. Kapcitieve spanningsdeler volgens conclusie 2, of 3, m è t h e t k e n merk, dat de verdere refe- - rentiespanning gelijk is aan de zuivere gelijkspannings-komponent.

6. Kapacitieve spanningsdeler volgens een van de 20 voorgaande conclusies, me t he t kenmerk, dat tussen de meetkondensator en de differentiaalversterker een bufferversterker is opgenomen.

7. Spanningsdeler volgens een van de voorgaande conclusies, met he t k e n m e r k, dat de bestu- 25 ringsmiddelen bestaan uit een vergelijkingsschakeling, - aan een ingang waarvan, via een gelijkspanningssperfilter het van het meetsignaal afgeleide zuivere wisselspannings-signaal wordt toegevoerd en aan een verdere ingang waarvan het komplete meetsignaal wordt toegevoerd, terwijl het 30 uitgangssignaal via logische beslissingsmiddelen de scha-kelmiddelen voor de kompensatiekondensator stuurt.

8. Kapacitieve spanningsdeler volgens de conclusies 6 en 7, 11 s t h e t k e n m e r k, dat de ingang van het gelijkspanningssperfilter dlrekt is aangesloten op 35 - de uitgang van de bufferversterker. \ 78 1 0 6 9 5